zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân và hạt của cây cao lương ngọt Sorghum bicolor

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:94

Báo xấu

193
lượt xem 32
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ở Việt Nam, cây cao lương ngọt cũng được trồng ở nhiều nơi, đặc biệt là ở các tỉnh miền núi phía Bắc. Nhà nước đã quan tâm và xúc tiến việc nghiên cứu cây cao lương ngọt để xây dựng vùng nguyên liệu cho sản xuất ethanol nhiên liệu. Nhiều công trình khoa học gần đây cũng đang đẩy mạnh việc nghiên cứu cây cao lương ngọt để đưa vào sản xuất ethanol sinh học, đáp ứng nhu cầu nhiên liệu ngày càng tăng hiện nay. Từ những lợi ích trên của cây cao lương ngọt, tác giả đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân và hạt của cây cao lương ngọt Sorghum bicolor”.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân và hạt của cây cao lương ngọt Sorghum bicolor

Luận văn Thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Trong tiến trình phát triển, các quốc gia luôn đặt vấn đề an toàn năng lượng lên hàng đầu. Đứng trước nguy cơ nguồn năng lượng hóa thạch có hạn trên trái đất đang dần đi đến cạn kiệt, những nguồn năng lượng mới đã và đang dần được giới khoa học và con người quan tâm hơn. Chúng được đánh giá sẽ là những nguồn năng lượng quan trọng trong tương lai. Một trong những nguồn năng lượng mới ấy nổi lên là nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh vật, thân thiện với môi trường ít gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt, nhiên liệu này có khả năng tái sinh và gần như vô tận [33, 36]. Nhiên liệu sinh học có nhiều loại, trong đó chú ý đến ethanol bởi tính ưu việt của nó, có thể thay thế cho xăng, dầu hoặc pha lẫn với xăng để chạy các động cơ. Ethanol là nhiên liệu được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn... Ethanol còn được sản xuất từ các loại cây cỏ có chứa cellulose. Đây là nguồn nguyên liệu tái tạo được và có khả năng phân hủy sinh học, nên việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu sẽ giảm bớt sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt [16]. Sử dụng ethanol làm nhiên liệu mang lại nhiều giá trị như ethanol có trị số octan cao (RON=109) nên khi pha vào xăng truyền thống sẽ làm tăng trị số octan của hỗn hợp nhiên liệu. Từ đó, giúp tăng khả năng chống kích nổ, tăng tỉ số nén của động cơ, nâng cao hiệu suất cháy… và kết quả là giúp tiết kiệm Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 1
Luận văn Thạc sĩ khoa học nhiên liệu; đồng thời, công suất và moment xoắn tốt hơn làm động cơ vận hành êm hơn và tăng tuổi thọ động cơ. Ngoài ra, ethanol nhiên liệu còn giúp giảm khí thải nhà kính nên thân thiện với môi trường, giá thành rẻ giảm chi phí nhiên liệu cho người tiêu dùng [34, 38]. Từ những lợi ích mà ethanol nhiên liệu mang lại thì các nhà máy, công ty đang đẩy nhanh dây chuyền sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác nhau. Những nguồn nguyên liệu quen thuộc như: lúa, ngô, khoai, sắn…đang được thay thế dần bởi các nguyên liệu mới cũng có nguồn gốc từ thực vật nhưng không làm ảnh hưởng đến an ninh lượng thực như cây cao lương ngọt. Cây cao lương ngọt là một loại cây lương thực, thân có hàm lượng đường cao. Thân cây cao lương ngọt giống cây mía, do đó có thể thu dịch ép trong thân dùng làm nguyên liệu để sản xuất ethanol thay thế cho các nguyên liệu truyền thống, ngoài ra phần bã ép và hạt cây cao lương cũng có thể sử dụng để sản xuất ethanol được. Quy trình sản xuất ethanol từ cao lương ngọt thân thiện với môi trường hơn so với các cây cho đường mật khác. Khi ethanol cháy thì sản sinh ít sulphur hơn từ mía, và hàm lượng octane cao[11, 28]. Trên thế giới, các nước như Braxin, Mexico, Nigeria Ấn Độ, Trung Quốc, Philippin… cũng đã đưa cây cao lương vào sản xuất ethanol nhiên liệu từ rất sớm. Không chỉ các nước đang phát triển ở châu Á, Phi và Mỹ Latinh, Mỹ và Liên minh châu Âu cũng rất quan tâm đến công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học từ cao lương ngọt. Cây cao lương ngọt hiện đang được trồng trên diện tích 42 triệu hécta ở 99 quốc gia và vùng lãnh thổ, trong đó nhiều nhất ở Mỹ, Nigeria, Ấn Độ, Trung Quốc, Mexico, Sudan, Argentina. Sau khi Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 2
Luận văn Thạc sĩ khoa học nước được ép, nó được lên men để chuyển hóa thành ethanol thô. Ethanol này sau đó được chưng cất và dehydrat hóa giống như sản xuất ethanol từ hạt. Tại Mỹ bã ép thường được sử dụng để làm chất đốt để sản xuất điện năng do đó nó được bán cho nhà máy nhiệt điện, hoặc bã thải cũng có thể được sử dụng làm phân bón. Ngoài phần thân dùng để điều chế nhiên liệu sinh học, hạt lúa miến ngọt có thể dùng để nấu cháo hoặc nghiền thành bột làm bánh hoặc món ăn nhanh. Lá dùng làm thức ăn cho gia súc trong khi phần rễ thì làm chất đốt [6, 41] . Ở Việt Nam, cây cao lương ngọt cũng được trồng ở nhiều nơi, đặc biệt là ở các tỉnh miền núi phía Bắc. Nhà nước đã quan tâm và xúc tiến việc nghiên cứu cây cao lương ngọt để xây dựng vùng nguyên liệu cho sản xuất ethanol nhiên liệu. Nhiều công trình khoa học gần đây cũng đang đẩy mạnh việc nghiên cứu cây cao lương ngọt để đưa vào sản xuất ethanol sinh học, đáp ứng nhu cầu nhiên liệu ngày càng tăng hiện nay. Từ những lợi ích trên của cây cao lương ngọt, chúng tôi xin đề xuất thực hiện đề tài : “Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân và hạt của cây cao lương ngọt Sorghum bicolor”. Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 3
Luận văn Thạc sĩ khoa học Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học là một dạng năng lượng tái tạo, được sản xuất từ nguyên liệu sinh học – sinh khối, tức là từ thực vật, động vật và các sản phẩm phụ của chúng. Như vậy, nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất từ các sản phẩm nông lâm nghiệp vốn là lương thực thực phẩm, hay có thể được làm từ các cây trồng không phải là thực phẩm, thậm chí còn được làm từ các phế thải nông lâm nghiệp [25]. Ngày nay, công nghệ nhiên liệu sinh học đang rất được chú trọng và được phát triển. Do nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, mà nhiên liệu sinh học thì có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống như than đá và dầu mỏ: Là nguồn nhiên liệu có khả năng tái tạo và không gây ô nhiễm môi trường; ít gây hiệu ứng nhà kính hơn các loại nhiên liệu hóa thạch; do có nguồn gốc từ sinh khối nên có thể khai thác mà không cần đòi hỏi các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém, tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các quốc gia trên toàn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập, mặt khác ít phụ thuộc Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 4
Luận văn Thạc sĩ khoa học vào tài nguyên nhiên liệu hóa thạch và sự biến động giá cả trên thị trường [40]. Có nhiều cách để phân loại nhiên liệu sinh học. Dưới đây là hai cách phân loại phổ biến nhất. Cách thứ nhất nhiên liệu sinh học có thể được chia thành 3 nhóm:  Diesel sinh học (Biodiesel): được dẫn xuất từ các loại dầu sinh học (thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol. Diesel sinh học có thể sử dụng thay thế cho diesel.  Cồn sinh học (Bioethanol): là cồn (ethanol) được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose. Việc sản xuất ethanol sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực. Việc sản xuất cồn sinh học từ sinh khối và sinh khối phế thải nông nghiệp không ảnh hưởng đến anh ninh lượng thực nên là hướng đi nhiều triển vọng.  Khí sinh học (Biogas): được tạo ra sau quá trình ủ kên men các vật liệu hữu cơ. sản phẩm tạo thành ở dạng khí (Metan và đồng đẳng khác) có thể dùng làm nhiên liệu đốt cháy thay cho gas từ sản phẩm dầu mỏ. Sản xuất khí sinh học đã được phát triển từ khá lâu và có nhiều mô hình triển khai rộng rãi [20, 21]. Cách thứ hai dựa vào nguồn gốc của các nguyên liệu dùng để sản xuất nguyên liệu sinh học có thể chia nguyên liệu sinh học thành ba thế hệ: Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 5
Luận văn Thạc sĩ khoa học  Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất từ các loại cây trồng ăn được như lương thực, thực phẩm, ví dụ: Mía, của cải, ngũ cốc, dầu mỡ động thực vật.  Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai chủ yếu từ các phụ phẩm hoặc phế thải trong sản xuất, sinh hoạt có nguồn gốc hữu cơ, ví dụ: Phế thải nông lâm nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, thân ngô, mùn cưa, gỗ vụn…), chăn nuôi (phân súc vật, bùn cống rãnh…) và sinh hoạt (dầu, mỡ thải) .  Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ tảo (nước ngọt và nước biển), cây jatropha curcas (cây cộc rào hay cây dầu mè), cỏ swichgrass, cây halophyte [14]. 1.2. Ethanol nhiên liệu Ethanol, còn được biết đến như là rượu êtylic hay rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn. Công thức hóa học của nó là C2H5OH hay CH3CH2OH , hay CH3CH2OH, viết tóm tắt là C2H6O. Ethanol nhiên liệu còn gọi là xăng sinh học hay xăng sạch, là một nguồn năng lượng tái tạo do nó được sản xuất từ sinh khối và các sản phẩm của nông nghiệp. Nó được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn... Ethanol còn được sản xuất từ cellulose. Với các nguyên liệu trên nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có thể sản Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 6
Luận văn Thạc sĩ khoa học xuất ethanol, sau đó tách nước, bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu. Ethanol tinh khiết có thể dùng thay thế nhiên liệu hóa thạch để chạy động cơ hoặc pha với xăng theo tỷ lệ nhất định cùng các phụ gia [9, 31]. Do có nguồn gốc từ cây trồng nên ethanol mang lại rất nhiều lợi ích: an toàn năng lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí thải nhà kính, sử dụng nhiên liệu có sẵn tại địa phương nên không bị phụ thuộc nhiên liệu nhập khẩu, tái sinh nền nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân và bảo vệ lớp đất bề mặt. Mặt khác, khí phát thải từ ethanol sinh học ít độc hơn xăng, do đó về lâu dài có lợi cho sức khỏe con người và hệ sinh thái [34, 38, 41]. 1.3. Cây cao lương ngọt Cây cao lương (sorghum bicolor) thuộc Chi Lúa miến (Sorghum), Họ Hòa thảo (Poaceae). Cao lương ngọt là cây trồng C4, điểm bù CO2 thấp, quang hô hấp rất thấp, sự thoát hơi nước thấp và năng suất sinh học cao. Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 7
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 1. Cây cao lương ngọt Sorghum biolor (L.) Moench Đây là một loại cây lương thực, cao từ 2 – 5 mét, tốc độ sinh trưởng nhanh, phát triển tốt nhất ở vùng nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới, đất trồng thích hợp có pH từ 58,5. Cao lương ngọt là loại cây dễ trồng, thích ứng rộng, có khả năng chịu hạn tốt, lượng nước cần cung cấp cho sự phát triển của chúng trong 2 vụ chỉ bằng ¼ lượng nước trồng mía/vụ. Chi phí trồng cao lương ngọt rẻ hơn 3 lần so với trồng mía. Thời gian sinh trưởng của cao lương ngọt ngắn (từ 100115 ngày), năng suất khoảng 95125 tấn/ha [33, 37]. Cây cao lương được trồng ở nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Ấn Độ, Nigeria, Trung Quốc, Mexico, Sudan và Argentina. Bên cạnh là một cây lương thực, do thân có hàm lượng đường cao nên cây cao lương còn được sử dụng làm nguyên liệu cho ngành sản xuất nhiên liệu sinh học để sản xuất ethanol sinh học thay thế cho các nguyên liệu truyền thống [19, 27, 36]. 1.4. Quá trình lên men rượu từ dịch ép thân cao lương nhờ nấm men 1.4.1. Đặc điểm dịch ép thân cây cao lương ngọt Dịch trong thân cây cao lương ngọt chứa hàm lượng đường lên men cao, bao gồm các đường chính như: glucose, sucrose, fructose. Ngoài ra, dịch thân còn có một số loại đường khác như: xylose, ribose, arabinose, sorbose, galactose, mannose, polyglucose…[22]. 1.4.2. Cơ sở hoá sinh của sự lên men ethanol Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 8
Luận văn Thạc sĩ khoa học Quá trình lên men ethanol nh ờ n ấm men là cơ sở của vi ệ c ch ế t ạo ra các lo ại r ượ u, bia, c ồn và glycerin. Quá trình này còn đượ c ứng dụng trong vi ệc làm nở b ột m ỳ và chế tạ o mộ t số n ướ c gi ải khát. Trong quá trình này nấm men dưới điều kiện kị khí chuyển hoá glucose thành ethanol trước hết bằng con đường Embden Meyerhof. Phản ứng thật sự bao gồm sự tạo thành 2 mol ethanol, 2 mol CO2 và 2 mol ATP trên mỗi mol glucose được lên men. Do vậy mỗi gam glucose về lý thuyết sẽ tạo ra 0,51g rượu. Tuy nhiên sản lượng đạt được trong lên men thực tế thường không vượt quá 9095% con số lý thuyết. Sở dĩ như vậy là vì một phần chất dinh dưỡng đã được sử dụng để tổng hợp sinh khối mới và cho các phản ứng liên quan tới sự duy trì tế bào. Cũng còn có các phản ứng phụ xảy ra (thường dẫn tới sự hình thành glycerol và succinat) tiêu thụ tới 45% cơ chất tổng số. Nếu loại trừ được các phản ứng này thì sản lượng ethanol có thể tăng thêm 2,7% [8]. Hình 2. Sơ đồ tổng quát quá trình lên men ethanol từ glucose 1.4.3. Quá trình lên men rượu Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 9
Luận văn Thạc sĩ khoa học 1.4.3.1. Quá trình lên men Cơ chế của quá trình lên men rượu xảy ra như sau: Đườ ng và các ch ất dinh d ưỡ ng đượ c hấ p thụ qua b ề mặt t ế bào nấm men r ồi th ẩm th ấu vào bên trong. Ở đó các enzyme sẽ tác dụ ng qua nhiề u giai đoạ n trung gian để cuố i cùng tạ o ra sản ph ẩm chính là rượ u và khí cacbonic. Hai ch ất này khu ếch tán và tan vào môi tr ườ ng xung quanh. Rượ u có khả năng hoà tan nhanh trong dung d ịch lên men, còn khí cacbonic hoà tan kém và khu ế ch tán ch ậm, lúc đầ u hoà tan hoàn toàn, sau tạo thành các bọ t khí bám quanh tế bào nấ m men, tế bào cùng bọ t khí nổ i dần lên, khi t ới b ề m ặt các bọ t khí sẽ vỡ tan hợp thành tiế ng độ ng (hiệ n tượ ng men d ậy). B ọt khí tan, tế bào nấ m men lại chìm xuố ng tiế p xúc với d ịch đườ ng để hấ p thụ và tiế p tụ c lên men. Trong quá trình lên men, có kho ảng 95% đườ ng bi ến thành r ượ u và khí cacbonic, còn l ại sẽ chuy ển hoá tạ o ra các sả n phẩm khác và đườ ng sót (bao g ồm các nhóm chính nh ư axit, este, aldehyt và các alcol có số cacbon l ớn h ơn. Lên men r ượ u còn tạ o ra các axit h ữu c ơ bao g ồm axit acetic, lactic, citric, pyruvic và succinic... trong đó l ượ ng axit lactic và acetic chi ếm t ỷ l ệ nhi ều h ơn [15]. Có 2 phương pháp lên men chính bao gồm lên men tĩnh và lên men liên tục. + Lên men tĩnh: Các đặ c tr ưng c ủa ph ươ ng th ức này bao g ồm th ời gian đòi hỏi cho vi ệc s ử d ụng hoàn toàn cơ chấ t là 3648 giờ, nhiệ t độ đượ c gi ữ ở 2030 0C và pH ban đầ u đượ c điề u chỉnh t ới 4,5. Tuỳ thu ộc vào b ản ch ất c ủa nguyên liệu lên men hi ệu su ất thu h ồi đạ t khoả ng 90 Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 10
Luận văn Thạc sĩ khoa học 95% con s ố lý thuyế t v ới n ồng độ ethanol cu ối cùng là 1016% (w/v). Công ngh ệ lên men tĩnh đượ c dùng nhiề u trong quá khứ vì có thể vậ n hành d ễ dàng, đòi hỏ i th ấp về kh ử trùng triệ t để , không cầ n có công nhân tay nghề cao, không có nguy c ơ t ổn th ất v ề tài chính và nguyên liệu dễ xử lý. Tuy nhiên nh ững nh ượ c điểm vốn có củ a hệ th ống này như hiệ u suất lên men th ấp do th ời gian quay vòng cao và độ dài củ a pha lag kéo dài d ẫn đế n những yêu cầ u phải có những cả i tiến. + Lên men liên t ục : Lên men liên t ục lo ại b ỏ đượ c sự hao t ốn th ời gian trong lên men tĩnh. Tuy nhiên ph ươ ng th ức này v ẫn g ặp các nhượ c điểm nh ư nhi ễm t ạp và khó giữ đượ c tố c độ lên men cao do tế bào nấ m men b ị chết nhi ều b ởi thi ếu oxy. Để khắ c phụ c ngườ i ta thêm mộ t số ch ất nh ư Tween 80, ecgosterol hay axit linolenic vào môi tr ườ ng lên men hoặc cho n ấm men sinh tr ưở ng hi ếu khí trướ c giai đoạ n lên men kị khí [7, 9]. 1.4.3.2. Các yếu t ố ảnh hưở ng đế n quá trình lên men Nồng độ oxy Nấm men sinh tr ưở ng c ả ở điề u kiệ n hiế u khí và kị khí. Trong điề u kiệ n hiế u khí nấ m men sinh tr ưở ng m ạnh m ẽ và tạ o thành sinh kh ối tế bào. Ng ượ c lại t ại điề u ki ệ n k ị khí nấ m men sẽ tiến hành quá trình lên Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 11
Luận văn Thạc sĩ khoa học men và tạo ra ethanol. Vì vậy nồng độ oxy ả nh hưở ng r ất l ớn đế n quá trình lên men c ủa n ấm men. Mộ t n ồng độ nhỏ oxy cần ph ải đượ c cung cấ p cho nấm men lên men vì đây là thành ph ần c ần thi ết trong s ự sinh t ổng h ợp các chấ t béo ch ưa bão hoà và các lipid. Thông th ườ ng oxy đượ c gi ữ trong d ịch lên men ở nồ ng độ 0,05 0,10mm Hg tính theo áp suất oxy. B ất c ứ n ồng độ nào nằm trên gi ới h ạn đó đề u sẽ kích thích sinh tr ưở ng, vi ph ạm đế n sự tạ o thành ethanol (x ảy ra hi ệu ứng Pasteur). Nhiệ t độ Nhiệ t độ ảnh h ưở ng r ất l ớn đế n quá trình lên men, ảnh h ưở ng t ới tố c độ và nồ ng độ cồ n đạ t đượ c. Với mỗ i chủ ng n ấm men khác nhau sẽ có kho ảng nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men. Thông thườ ng nhi ệt độ lên men nằm trong kho ảng t ừ 15 30 0 C. N ếu nhi ệt độ nâng cao h ơn thì giai đoạn chu ẩn bị (giai đoạ n bắ t đầ u từ lúc cấ y giố ng đế n khi xuấ t hiệ n những bọt khí CO 2 đầ u tiên) sẽ đượ c rút ngắn l ại, lên men sẽ nhanh h ơn và kế t thúc sớm. Tuy nhiên nế u nhi ệt độ lên quá cao (trên 37 0 C) quá trình lên men s ẽ t ạo ra nhi ều t ạp ch ất nh ư: aldehyt, các loạ i r ượ u b ậc cao... dẫn đến lên men không triệt để, lượng đường sót nhiều và hiệu suất thu hồi ethanol thấp. pH môi trườ ng Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 12
Luận văn Thạc sĩ khoa học Sinh tr ưở ng c ủa n ấm men ph ụ thu ộc nhi ều vào pH môi trườ ng. pH thích h ợp cho n ấm men phát tri ển nằm trong kho ảng 4 6. Tuy nhiên nhiề u ch ủng n ấm men v ẫn phát triển tốt ở kho ảng pH 3 3,5. Vì vậ y trong quá trình lên men ng ườ i ta có th ể cho pH gi ảm xu ống d ướ i 4 nh ằm hạn chế s ự phát tri ển c ủa các vi sinh v ật không mong mu ốn (vi sinh v ật tạp nhi ễm) có thể gây ảnh hưở ng đế n quá trình lên men và gây hỏ ng sả n phẩm lên men. Nồng độ cồn Nấm men r ất m ẫn c ảm v ới s ự ức ch ế b ởi ethanol. N ồng độ 12% (w/v) đã đủ để làm ch ậm sinh tr ưở ng c ủa vi sinh v ật và ở nồ ng độ cồ n 10% (w/v) t ốc độ sinh tr ưở ng c ủa n ấm men g ần nh ư ng ừng h ẳn. B ản ch ất c ủa quá trình này là rấ t phức t ạp. Vi ệc thêm cồ n vào pha log làm giảm nhanh tốc độ sinh tr ưở ng c ủa n ấm men (có lẽ do tác độ ng lên sự tổ ng h ợp protein), gi ảm kh ả năng số ng sót củ a tế bào (qua sự bi ến tính không thu ận ngịch c ủa m ột s ố enzyme), và ở mộ t mức độ thấ p hơn nhiề u ethanol làm gi ảm t ốc độ tổ ng hợp của b ản thân nó. Các dẫ n liệu về mức độ ch ịu c ồn c ủa m ột s ố ch ủng n ấm men ph ụ thu ộc nhi ều vào thành phầ n axit béo trong màng tế bào ch ất cho th ấy r ằng thành phầ n axit béo kích thích ho ặc kìm hãm sự ti ết ethanol ra kh ỏi bào tươ ng. Kế t qu ả cũng ch ứng minh r ằng ethanol t ạo ra trong quá trình lên men ức chế s ự sinh tr ưở ng c ủa tế bào nấm men nhi ều h ơn là ethanol đượ c đưa từ ngoài vào mộ t cách nhân tạo. Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 13
Luận văn Thạc sĩ khoa học Bên c ạnh các nhân t ố trên còn rất nhiề u các yế u t ố khác cũng làm ả nh h ưởng đế n quá trình lên men nh ư nồng độ dị ch đườ ng, các chủ ng nấm men dùng trong lên men và mộ t số y ếu t ố v ật lý khác [5, 7, 8]. 1.4.4. Nấm men trong lên men rượ u 1.4.4.1. Đặc điểm sinh h ọc của n ấm men Nấm men là vi sinh vật đơn bào, có nhân điển hình sinh sản vô tính bằng cách n ảy ch ồi hay phân chia tr ực ti ếp. Đây là nhóm sinh v ật d ị dưỡ ng, sinh tr ưở ng c ả ở điề u kiện hi ếu khí lẫ n kị khí. Kích thướ c trung bình của tế bào nấ m men là 4 10 x 2 – 8 m. Tế bào nấm men th ườ ng có dạ ng hình ovan, hình cầ u, hình tr ứng hình qu ả chanh, hình elip...tu ỳ thu ộc vào từng loài. Mộ t số ch ủng có khuẩn ty th ật ho ặc khu ẩn ty gi ả. Khu ẩn ty gi ả ch ưa hình thành sợi rõ rệ t mà ch ỉ là nhiề u t ế bào nố i v ới nhau thành chuỗi dài. Mộ t số khác có khuẩn ty th ật v ới các chồ i đơn bào. Loài n ấm men s ử d ụng trong lên men r ượ u th ườ ng thu ộc v ề chi Saccharomyces. Đây là nh ững ch ủng cho năng su ất lên men cao, không tạo ra các loại t ạp ch ất và giữ ổ n đị nh qua các giai đoạ n lên men. Đặ c biệ t trong s ản xu ất bia có 2 loại gi ống đượ c thừa nhậ n : nấm men n ổi tức là lên men ở nhi ệt độ ttrên 10 0C và nấm men đáy lên men ở d ướ i 0 0 C [5]. 1.4.4.2. C ấu t ạo t ế bào Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 14
Luận văn Thạc sĩ khoa học Nấm men là nhóm vi sinh v ật nhân th ật điển hình. Tế bào nấ m men thườ ng l ớn g ấp 10 l ần so v ới t ế bào vi khuẩn, có cấ u tạ o khá hoàn chỉ nh. + Thành t ế bào Thành t ế bào nấm men dày khoảng 25nm (chi ếm kho ảng 25% tr ọng lượ ng khô củ a t ế bào). Đa số nấm men có thành tế bào đượ c cấ u tạ o bởi glucan và mannan. M ột s ố n ấm men có thành tế bào chứa kitin và mannan. Trong thành tế bào còn ch ứa kho ảng 10% protein (tính theo trọng lượ ng khô), trong s ố protein này có mộ t ph ần là các enzyme, ngoài ra còn có một l ượ ng nhỏ lipid. Thành tế bào nấ m men có tính thấ m chọn l ọc, đả m bảo cho quá trình vậ n chuy ển ch ất dinh d ưỡ ng t ừ môi trườ ng vào trong tế bào và thải các sản ph ẩm trao đổ i chất t ừ trong t ế bào ra ngoài môi tr ườ ng. Đồ ng thời nó còn là cơ quan bảo vệ duy trì hình dáng kích thướ c... c ủa t ế bào nấ m men. + Màng t ế bào L ớp dướ i thành tế bào là lớp màng tế bào chấ t. Lấy tế bào trầ n củ a nấm men rồi đưa vào trong d ịch có áp suấ t th ẩm thấu, li tâm để lấ y ra màng tế bào ch ất, r ửa và li tâm lạ i để thuầ n khi ết màng, quan sát dướ i kính hi ển vi điện tử ta sẽ thấy cấu trúc của màng bao gồm 3 tầng kết cấu khác nhau [2]. Cấ u t ạo ch ủ yếu c ủa màng là protein (chi ếm 50 %kh ối l ượ ng khô), phần còn lại là lipid (40%) và mộ t ít polysaccharide. Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 15
Luận văn Thạc sĩ khoa học Phần sterol trong màng t ế bào ch ất n ấm men khi đượ c chiếu tia t ử ngoại có thể chuy ển hoá thành vitamin D2. L ượ ng sterol trong t ế bào củ a loài n ấm men saccharomyces fermentati có th ể chiếm t ới 22% kh ối l ượ ng khô củ a tế bào. + Nhân Nhân của t ế bào nấm men đượ c bao b ọc b ởi m ột màng nhân như ở các vi sinh v ật có nhân thật khác. Màng nhân củ a n ấm men có cấ u trúc 2 lớp và có nhiề u lỗ th ủng, đây là nơi diễ n ra các quá trình trao đổ i giữa nhân và tế bào ch ất. Nhân của t ế bào nấm men đượ c cấ u tạo b ởi các protein v ới đầ y đủ các yế u t ố di truy ền nh ư DNA, RNA, các enzyme... v ới s ố l ượ ng khác nhau tu ỳ thu ộc vào từng loài. Nhân củ a tế bào nấ m men saccharomyces cerevisiae có ch ứa 17 đôi nhi ễm sắc th ể. DNA trong t ế bào nấ m men đơ n bộ i có khố i l ượ ng phân tử là 1x10 10Da, so v ới kh ối l ượ ng phân tử củ a DNA vi khu ẩn E.coli thì lớn h ơn 10 l ần nh ưng so v ới DNA c ủa ng ười thì nhỏ hơn 100 l ần. Ngoài ra tế bào n ấm men cũng ch ứa đầ y đủ các thành phầ n bào quan khác nh ư ribosome, ty th ể, các không bào, vi th ể ... 1.4.4.3. Sinh s ản Nấm men có nhiề u hình thức sinh s ản khác nhau bao g ồm: + Sinh s ản vô tính: Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 16
Luận văn Thạc sĩ khoa học N ảy ch ồi: là phươ ng pháp sinh s ản ch ủ y ếu ở n ấm men. Ở điề u kiệ n thu ận l ợi n ấm men sinh sôi rấ t nhanh. Khi m ột ch ồi xu ất hi ện các enzyme thu ỷ phân sẽ làm phân giả i m ột ph ần polysaccharide c ủa thành tế bào làm cho ch ồi chui ra kh ỏi t ế bào mẹ . Phân cắt: Là hình thức sinh sản thấy ở chi n ấm men Schizosaccharomyces. Lối phân cắt tương tự như ở vi khu ẩn. T ế bào dài ra, ở giữa mọc ra vách ngăn chia tế bào thành 2 phần tương đương nhau, mỗi tế bào con sẽ có một nhân. Bằng bào t ử: Hình thành ra các bào tử nh ư bào tử bắ n, bào tử màng dày, bào t ử túi. + Sinh s ản h ữu tính: là hình th ức sinh s ản có sự kết hợp gi ữa 2 t ế bào để hình thành ra túi bào tử trong đó chứa các nhân đơn [5, 7, 8, 14]. 1.4.5. Các thông số dùng để tuyển ch ọn các chủ ng nấm men 1.4.5.1. Tiêu chí chung Chất l ượ ng c ủa ch ủng n ấm men đóng vài trò quan tr ọng trong quá trình lên men r ượ u, vì vậy vi ệc ch ọn l ựa và sử dụ ng các chủ ng nấ m men mang ý nghĩa quyế t đị nh cho ngành sản xuất này. Các chủng n ấm men đượ c lựa ch ọn d ựa vào các tiêu chí sau: Có th ể lên men đượ c ở hàm lượ ng đườ ng và hàm lượ ng axit cao Có hiệ u su ất lên men cao Ch ủ độ ng đượ c công nghệ và chấ t lượ ng sản ph ẩm tốt Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 17
Luận văn Thạc sĩ khoa học Ch ất l ượ ng lên men luôn ổ n đị nh [5]. 1.4.5.2. Các thông số tuy ển ch ọn Nhiệ t độ Về yế u t ố nhi ệt độ , các chủ ng nấm men đượ c tuyể n chọ n th ườ ng là các ch ủng ưa ấm (mesophile), sinh tr ưởng và hoạ t độ ng tố t nhất trong khoảng 30 0 37 0C vì những nguyên nhân sau đây: Nhiệ t độ lên men cao làm tăng tố c độ sinh tr ưở ng và năng suấ t khi nấm men phát tri ển đượ c ở nhi ệ t độ cao. Chi phí đầ u tư gi ảm do tăng năng suất trên một đơ n vị thể tích nồ i lên men và hạ đượ c chi phí làm lạ nh thiế t b ị. Chi phí v ận hành th ấp do c ần ít năng lượ ng để giữ nhiệ t độ lên men mong muốn và để thu hồi r ượ u. Ít rủi ro nhiễm trùng hơn vì ít vi sinh vật có thể tồn tại ở nhiệt độ cao. Quá trình thu ỷ phân tinh b ột b ằng enzyme th ườ ng di ễn ra ở nhi ệt độ 550 C, có th ể chuy ển ti ếp ngay sang lên men, nh ờ đó giả m bớt chi phí. Tốc độ sinh tr ưở ng Tố c độ sinh tr ưở ng c ủa các vi sinh v ật ph ụ thu ộc vào nhiề u yếu tố , như các ch ất dinh d ưỡ ng, các chất kìm hãm và điề u kiệ n môi trườ ng. Trong môi tr ườ ng dinh d ưỡ ng ch ứa glucose, ch ủng n ấm men ph ải đạ t đượ c t ốc độ sinh tr ưở ng trung bình là 0,5 0,6 (l ần nhân đôi/giờ) ở 30 0 C. Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 18
Luận văn Thạc sĩ khoa học Năng suất Năng su ất t ế bào hoặc năng suất c ồn đượ c thể hiệ n bằng gam t ế bào hay gam r ượ u đượ c tạo thành trong 1lit/ gi ờ. Đố i với chủng n ấm men lên men r ượ u, năng su ất r ượ u thu đượ c từ ngũ cố c giao độ ng trong khoảng t ừ 2,5 đến 4,5 g/l/h. Sả n lượ ng Sản l ượ ng là lượ ng sản phẩm đượ c tạ o thành trên mộ t đơ n vị cơ ch ất b ị vi sinh v ật tiêu thụ . Ở nấm men c ứ 1gam đườ ng 6C sẽ tạ o ra sản lượ ng là 0,511g r ượ u, chênh lệch so v ới con s ố lý thuyế t củ a các hexosan (0,586g/g) kho ảng 2,3%, đượ c thể hiệ n trong các phươ ng trình sau: + T ừ hexosan t ới hexose: n C6 H10 O5 + n H 2 O n C 6 H12 O6 n 162 n18 n180 (1g) (0,111g ) (1,111g) + T ừ hexose t ới ethanol C6 H12 O6 2C 2H5 OH + 2 CO 2 180 2x46 2x44 (1g) (0,511g) (0,489g) Tính ch ịu th ẩm th ấu Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 19
Luận văn Thạc sĩ khoa học Màng bán thấm bao quanh t ế bào cần có khả năng chịu đượ c sự biế n đổ i lớn v ề áp suấ t thẩm th ấu bên ngoài màng tế bào. Nế u không, tế bào có th ể b ị phá huỷ nghiêm trọ ng ho ặc th ậm chí bị giế t chế t. Trong các dung d ịch nh ượ c tr ươ ng t ế bào có thể bị vỡ tung, còn trong các dung dị ch ưu tr ương t ế bào bị mấ t nước và co lạ i. Vì vậ y việ c tuyển ch ọn các ch ủng n ấm men có tính chịu th ẩm th ấu là rất quan tr ọng nếu không áp suất th ẩm thấu có thể tr ở thành mộ t trong nh ững nguyên nhân hạ n chế nồ ng độ cơ chất (t ức n ồng độ đườ ng) tố i đa. Tính ch ịu c ồn Đa số các vi sinh vật không thể sinh tr ưở ng ở n ồng độ cồ n vượ t quá 10% (w/v) vì ở trên nồng độ này protein s ẽ b ị bi ến tính. Ngoài ra nhiệ t độ cao cũng làm giảm tính chị u cồ n của vi sinh v ật. Ở nhi ệt độ trên 350C các ch ủng s ản xu ất th ườ ng m ất kh ả năng số ng sót ở nồ ng độ cồ n 10%. pH Hầu hết vi khuẩn đều sinh trưởng được trong phạm vi pH từ 6,5 đến 7,5 (trong khoảng pH trung tính), trong khi đó nấm men và nấm mốc lại chịu được pH từ 3,5 tới 5. Vì vậy tuyển chọn các chủng nấm men có khả năng lên men ở pH dưới 4 là một phương pháp có hiệu quả nhằm giảm tối đa hiện tượng tạp nhiễm các vi sinh vật không mong muốn [8]. 1.5. Sản xuất ethanol từ bã cây cao lương ngọt 1.5.1. Đặc điểm cấu tạo của bã cây cao lương ngọt Cao học K17 Bùi Thị Hoàng Yến Page 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA

165 tài liệu

2070 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.