Khóa luận Thiết kế phân xưởng sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men phục vụ chế biến mủ cao su

3 LỜI MỞ ĐẦU Acid acetic (hay còn gọi là ethanol acid) là một hóa chất có giá trị kinh tế cao, đƣợc ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp nhƣ: công nghiệp tổng hợp hữu cơ, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp chế biến mủ cao su... Ở Việt Nam tuy ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ còn non trẻ nhƣng nhu cầu sử dụng acid acetic trong đời sống và trong hoạt động công nghiệp rất lớn. Đặc biệt là đối với ngành chế biến cao su thiên nhiên đang phát triển rất mạnh và vƣơn lên thành ngành công nghiệp quan trọng hiện nay thì acid acetic là hóa chất có vai trò không thể thiếu trong quy trình làm đông tụ mủ cao su thiên nhiên. Do là một nƣớc nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới nên nguồn nguyên liệu sản xuất acid acetic (nhƣ mật rỉ, hoa quả chín, tinh bột, cồn...) trong nƣớc khá dồi dào.Với điều kiện nhƣ vậy thì rất thích hợp cho việc triển khai và áp dụng quy trình sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp sinh học vào thực tế sản xuất. Cho nên việc nghiên cứu và thiết kế một quy trình sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp sinh học (ứng dụng công nghệ sinh học) mang ý nghĩa thực tiễn trong tình hình phát triển của nƣớc ta hiện nay và trong tƣơng lai. Đó cũng là mục đích chính để tôi thực hiện đề tài “ Thiết kế phân xƣởng sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp lên men phục vụ chế biến mủ cao su” tại Bộ môn Công Nghệ Sinh Học thuộc trƣờng Đại học Nông Lâm, thành phố Hồ Chí Minh – năm 2005. 4 NỘI DUNG THỰC HIỆN Đề tài đƣợc thực hiện dựa trên việc phân tích và xử lý các số liệu thu thập đƣợc từ thực tế và từ nhiều nguồn tƣ liệu khoa học có giá trị nhằm thiết kế một mô hình phân xƣởng sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp lên men phục vụ cho yêu cầu chế biến mủ cao su. Mô hình này phải hoàn toàn phù hợp với các điều kiện về mặt kỹ thuật và công nghệ của nƣớc ta hiện nay. Mô hình phải đạt đƣợc độ ổn định về hiệu suất phản ứng và cho hiệu quả kinh tế cao. Do đó, để thiết kế một mô hình sản xuất hoàn chỉnh cần thực hiện các yêu cầu sau: Phân tích và lựa chọn phƣơng pháp lên men acid acetic phù hợp Lựa chọn chủng vi sinh vật acid acetic cho năng suất cao và ổn định Lựa chọn nguyên liệu làm môi trƣờng lên men Lựa chọn vật liệu trong nƣớc thay thế cho vật liệu nƣớc ngoài làm chất mang vi khuẩn acid acetic trong quá trình lên men Tính toán, thiết kế quy trình sản xuất và các thiết bị phù hợp với trình độ kỹ thuật của nƣớc ta. Đánh giá hiệu quả kinh tế và khả năng ứng dụng của quy trình sản xuất vào phục vụ chế biến mủ cao su và các mục đích khác. 5 Phần 1: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LATEX (MỦ) CAO SU THIÊN NHIÊN 1.1 TRẠNG THÁI THIÊN NHIÊN CỦA LATEX CAO SU [8] Cao su thiên nhiên sinh ra từ một số loại thực vật có khả năng tạo ra latex. Chức năng này là điều kiện cần để có cao su, nhƣng không hẳn tất cả những cây tiết ra mủ đều có chứa cao su. 1.1.1 Hệ thống latex và latex cao su Latex đƣợc tạo từ những tế bào sống gồm những nguyên sinh chất, nhân và các thành phần hiện diện khác. Tế bào latex đƣợc một lớp nguyên sinh chất lỏng bao phủ, bao cả một không bào lớn – nơi tiết ra latex. Tùy theo loại cây cao su, hệ thống latex đƣợc tạo thành từ tế bào cô lập rải rác không tƣơng thông với nhau (có ở hầu hết các loại cây cao su); hoặc từ các tế bào có kích thƣớc lớn trong nhu mô nhƣng không tƣơng giao với nhau; hoặc từ mạng tế bào dài nằm nối tiếp có vách chung tự tiêu. Loại mạch này chỉ có ở giống Hevea và Manihot (thuộc họ Euphorbiaceae). Dù mạch thẳng hay mạch nhánh, các mạch đều định vị trong nhu mô thực vật, đặc biệt là trong vùng tạo lập libe vỏ. Các cơ quan khác của cây cũng đều có chứa latex. Toàn bộ hệ thống latex đều kín, cần phải rạch cạo để cho latex tiết chảy ra ngoài. Nhiều thực nghiệm đã chứng minh latex và cao su trong latex là do nguyên sinh chất của tế bào latex tiết ra. Nhƣ vậy, latex đƣợc tạo ra “tại chỗ” từ nƣớc và muối khoáng do rễ cây hấp thụ, không phải từ quang tổng hợp của lá. Sự thay đổi của thành phần latex không thể nào quan sát hết đƣợc, chức năng của chúng có thể khác nhau tùy theo loại. Trong những thuyết đƣa ra, có thuyết cho latex chỉ là chất ngoại tiết, hoặc là một nguồn chất tự dƣỡng, hoặc thuyết cho rằng latex là chất luân chuyển tập trung dƣỡng chất hoặc là chất bảo vệ chống tổn thƣơng ... Cao su là một chất isoprene đƣợc tạo ra qua các phản ứng khử và ngƣng tụ liên tiếp bắt đầu từ một hydrocarbon có 5 nguyên tử carbon, chuyển hóa chất của acid β-methylcrotonic. Acid này lại do sự hóa hợp của acid acetic và acetone. 7 1.1.2 Thành phần và tính chất latex A. Thành phần latex Hydrocarbon cao su: chiếm hàm lƣợng cao trong latex (gần 40%) với công thức nguyên là (C5H8)n. Những nghiên cứu gần đây đã đi tới kết luận hydrocarbon cao su lúc chảy khỏi cây cao su ở dƣới dạng polymer (chất trùng phân), có phân tử khối từ 5.10 5 đến 3.106 Da. Trong đó, trên 60% là các hydrocarbon có phân tử khối lớn trên 1.10 6 Da. Hàm lƣợng hydrocarbon có trọng lƣợng phân tử thấp (nhỏ hơn 25000 Da) có ảnh hƣởng tới độ cứng của cao su. Đạm: chủ yếu đó là protein hay những dẫn xuất từ quá trình hydrate hóa enzyme, chiếm khoảng 2%, trong đó protein chiếm từ 1-1,5%. Tỉ lệ này thay đổi theo thành phần của cao su trong latex. Protein bám vào các hạt tử cao su giúp cho việc ổn định thể giao trạng do một phần bởi đặc tính tích điện nhờ các nhóm –COO – và nhóm – NH4 + tự do và một phần bởi tính “hydrophilie”của chúng. Lipid: trong latex, lipid và dẫn xuất của chúng chiếm khoảng 2%, có thể trích ly bằng rƣợu hay acetone. Thành phần lipid trong latex khá phức tạp, qua các phƣơng pháp ly trích khác nhau thu đƣợc rất nhiều dạng và dẫn xuất, bao gồm: - Các chất đơn giản nhƣ acid oleic, acid linoleic, acid stearic và acid palmetic - Các chất phức tạp nhƣ các sterol (phytosterol), các ester của sterol, carotenoid, hợp chất phosphatid, glycolipid, sulfolipid ... Lipid đóng vai trò là những chất hoạt động bề mặt và tham gia vào tính ổn định giao trạng. Chúng còn gây đông đặc latex do phosphorus của phospholipid tham gia vào phản ứng với magnesium (tỉ lệ Mg/P không thích hợp sẽ gây đông đặc latex). Glucid: trong khi protein và lipid đều ảnh hƣởng đến tính chất của latex, thì glucid cấu tạo chủ yếu từ những chất tan đƣợc (tỉ lệ từ 2-3% trong latex tƣơi) lại không có tác động gì đến tính chất latex. Các glucid tìm thấy trong latex: quebrachitol (1- methylinositol); dambonite (1,2-demethylinositol) và dambose (inositol) Khoáng: cũng nhƣ hầu hết các dạng dung dịch sinh học khác trong mô thực vật, trong thành phần latex chứa khá nhiều các loại muối khoáng dƣới dạng muối hòa tan nhƣ: K, Mg, P, Ca, Cu, Fe, Mn, Rb... 8 B. Tính chất latex Tỉ trọng: của latex khoảng 0,97; là sự kết hợp của tỉ trọng cao su là 0,92 và serum là 1,02. Sở dĩ serum có tỉ trọng cao hơn nƣớc do chứa các chất hòa tan. Độ nhớt: latex thuộc các giống khác nhau tuy có cùng hàm lƣợng cao su thô nhƣng độ nhớt lại khác nhau. Nguyên nhân do sự kết hợp với ammoniac, kích thƣớc trung bình của các phần tử cao su và hàm lƣợng các chất khoáng tố. Tổng quát, độ nhớt latex tƣơi có 35% cao su là 12-15 centipoises, latex đã đậm đặc hóa là 40-120 cp. Sức căng mặt ngoài: của một latex 30-40% cao su là khoảng 38-40 dynes\cm2, trong lúc sức căng mặt ngoài của nƣớc nguyên chất là 73 dynes\cm2. Lipid và dẫn xuất lipid là tác nhân ảnh hƣởng đến sức căng mặt ngoài latex, nhất là các savon acid béo. pH :trị số pH của latex có ảnh hƣởng quan trọng tới độ ổn định latex. Latex tƣơi khi chảy ra khỏi cây cao su có trị số gần bằng hoặc thấp hơn 7. Để trong vài giờ pH sẽ hạ xuống gần 6 và latex sẽ bị đông lại. Đó là sự đông đặc tự nhiên của latex. Tính dẫn điện: độ dẫn điện của latex biến đổi nghịch theo hàm lƣợng cao su và hàm lƣợng acid béo bay hơi của latex, trong đó serum là chất ảnh hƣởng trực tiếp đến trị số của độ dẫn điện đặc biệt do các hợp chất ion hóa mà nó chứa. Enzyme: latex tƣơi có chứa các enzyme nhƣ catalase, tyrosinase, oxydase và peroxydase, esterase. Ngoại trừ catalase, các ezyme khác đều có chất kiềm hãm đi kèm. Các enzyme oxydase, peroxydase trong latex xúc tác tác dụng của oxygen và peroxide tới những chất cấu tạo latex làm cho cao su đông đặc có màu hơi xám hoặc hơi nâu Các enzyme phân hủy protein (protease) sẵn có ở cây cao su hoặc do vi khuẩn xâm nhập vào sẽ tạo nên sự hƣ thối protein có thể là nguồn gốc gây đông đặc latex ngẫu sinh. Latex tƣơi để ngoài trời, trong vài giờ nó sẽ bị đông đặc tự nhiên là do các enzyme có sẵn trong latex thƣờng gọi là enzyme coagulase. Vi khuẩn: trong latex ngƣời ta tìm thấy nhiều loại vi khuẩn (ít nhất là 27 loại), có khả năng phân hủy glucid và gây hƣ thối protein. Khi phân hủy glucid trong điều kiện hiếu khí sẽ tạo thành acid acetic, acid lactic, acid butyric và carbonic gây đông đặc latex. Còn trong điều kiện kỵ khí các vi khuẩn phân hủy protein tác động mạnh tạo ra một số chất phân tiết màu vàng tên mặt latex. 9 1.2 SỰ ĐÔNG ĐẶC LATEX [13] 1.2.1 Bản chất của sự đông đặc latex Bản chất của sự đông đặc latex có liên quan mật thiết đến khả năng tích điện của các hạt tử cao su trong latex bởi lớp protein đƣợc hấp thụ trên bề mặt các hạt tử này. Khả năng tích điện của các hạt tử cao su là do hấp thụ trên bề mặt một lớp protein nên các hạt cao su mang điện tích của các phân tử protein đó. Cấu trúc của một phân tử protein là tập hợp của các acid amin có công thức tổng quát: NH2-R-COOH Với -NH2 là gốc amin; -COOH là gốc acid; -R- là một mạch hydrocarbon. Khi trong một dung dịch đẳng điện nó biểu hiện ở trạng thái cân bằng điện tích: NH2-R-COOH + NH3-R-COO - Khi trong một dung dịch acid: + NH3-R-COO - + NH3-R-COOH Khi trong một dung dịch kiềm: + NH3-R-COO - NH2-R-COO - Một số phân tử acid amin có cấu tạo nhóm R khá phức tạp nên có các đầu tích điện âm và dƣơng chênh lệch nhau dẫn đến cả phân tử mang điện tích. Do đó các phân tử protein cũng mang một điện tích xác định, khi hấp thụ lên bề mặt của một hạt tử cao su thì làm cho hạt tử cao su đó có khả năng tích điện. Qua các phép đo đạt thực nghiệm, xác định đƣợc điểm đẳng điện của hấu hết các loại latex cao su là tƣơng đƣơng pH = 4,7. Khi tồn tại trong dung dịch có độ pH > 4,7 thì các hạt tử cao su mang điện tích âm (các gốc -COO - chiếm ƣu thế) và ngƣợc lại khi pH < 4,7 thì các hạt tử cao su mang điện tích dƣơng (các gốc –NH3 + chiếm ƣu thế). Các hạt tử cao su latex tƣơi mà pH tƣơng đƣơng 7 đều mang điện âm nhƣ trƣờng hợp của đa số các thể nhũ tƣơng trong thiên nhiên. Chính sự tích điện của các hạt tử cao su đã tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt tạo nên tính ổn định thể giao trạng của latex, không cho hiện tƣợng đông đặc xảy ra. Mặt khác các phân tử protein còn có tính hút nƣớc mạnh giúp cho các phân tử cao su đƣợc bao bọc xung quanh một vỏ phân tử nƣớc chống lại sự va chạm giữa các hạt tử, đây cũng là yếu tố ổn định của latex. Do đó, khi hai yếu tố cân bằng bị phá vỡ thì sẽ gây ra hiện tƣợng đông đặc latex. 10 1.2.2 Các phƣơng pháp làm đông đặc latex Đông đặc tự nhiên Latex tƣơi nếu để ngoài trời sẽ tự nhiên đông đặc lại. Một cách tổng quát ngƣời ta thừa nhận hiện tƣợng này là do những nguyên nhân chính sau: - Các enzyme hay vi khuẩn đã tác dụng tới những chất cấu tạo latex phi cao su dẫn đến việc làm giảm pH của khối latex gây hiện tƣợng đông đặc tự nhiên. - Ngay từ lúc cạo mủ latex đã có chứa anhydride carbonic mà hàm lƣợng vẫn tiếp tục tăng lên (do sự khử carboxy của carbonxylic) làm giảm pH. - Dƣới tác dụng của các protease (nhƣ trypsin, peptidase ...), protein bị dehydrat hóa và nhƣ thế latex sẽ bị đông đặc khi khuấy trộn hay nung nóng lên. - Một số tác nhân vẫn gây đông đặc latex mà không làm giảm pH. Nếu ta giữ pH bằng 8 nhờ xút, sự đông đặc vẫn xảy ra. Đó là do các lipid phức hợp của latex, phosphotid, lecithid đều bị dehydrat hóa bởi enzyme. Dẫn đến sự thành lập savon không tan (alcalinoterreuz) thay thế lớp protein của hạt cao su và gây ra đông đặc. Đông đặc bằng cồn Khi ta cho vào latex một lƣợng cồn đầy đủ sẽ làm cho latex bị đông đặc. Nguyên nhân là do tác dụng khử nƣớc của rƣợu. Rƣợu có nồng độ cao (96%) là một chất khử nƣớc mạnh, cho nên khi đạt đƣợc nồng độ thích hợp trong serum nó sẽ hạ thấp trị số hút nƣớc bình thƣờng của lớp protein bám quanh các hạt tử cao su. Chỉ một yếu tố về điện tích thì không đủ đảm bảo tính ổn định cho latex và sự đông đặc xảy ra. Đông đặc bằng cách khuấy trộn Khi khuấy trộn mạnh và kéo dài latex sẽ vị đông đặc. Việc khuấy trộn đã làm cho động năng trung bình của các hạt phân tử cao su tăng lên cho tới khi đạt đƣợc trị số đủ để khống chế đƣợc lực đẩy tĩnh điện và vô hiệu hóa lớp protein hút nƣớc. Nếu cho thêm vào latex chất có tác dụng làm giảm độ ổn định nhƣ oxid kẽm thì sự đông đặc đƣợc gia tốc. Phƣơng pháp này ít đƣợc ứng dụng trong công nghiệp chế tạo mủ cao su chỉ đóng góp là một giai đoạn trong phƣơng pháp CEXO chế tạo mủ tờ. 11 Đông đặc bằng acid Đây là phƣơng pháp gây đông đặc latex thông dụng và hiệu quả nhất. Acid khi đƣợc cho vào latex sẽ có tác dụng làm giảm pH và giúp cho latex đạt tới độ đẳng điện (khi đó sức đẩy tĩnh điện không còn nữa và latex đông đặc). Khi ta cho acid vào latex, sự đông đặc sẽ xảy ra nhanh chóng nhƣng không phải là ngay lập tức mà nó sinh ra với một tốc độ tƣơng đối. Nếu ta cho acid vào quá nhanh vƣợt quá điểm đẳng điện của latex thì sự đông đặc không xảy ra. Khi đó các hạt tử cao su sẽ mang điện tích dƣơng, muốn ổn định và đông đặc lại latex thì chỉ cần bổ sung thêm kiềm để đƣa pH về điểm đẳng điện. Trong công nghiệp cao su, ngƣời ta thƣờng dùng acid formic (lƣợng dùng 0,5% theo khối lƣợng latex) và nhất là acid acetic (liều dùng 1%) vì chúng tỏ ra kinh tế và phổ biến. Thật ra mọi acid đều hạ đƣợc pH xuống, gây đông đặc hữu hiệu. Hiện nay, hầu hết các cơ sở sản xuất mủ cao su ở nƣớc ta đều sử dụng phƣơng pháp đánh đông mủ bằng acid acetic. Do đó, nhu cầu về sản xuất và cung ứng lƣợng acid này cho ngành cao su là rất lớn. Hình 1.1. Sự thành lập các vùng theo độ pH 8 9 Vùng latex ổn định (không đông đặc) 6 7 5 10 4 pH 2 3 1 Vùng latex bị đông đặc Đƣờng biểu diễn đông đặc latex Vùng latex ổn định (không đông đặc) 12 Đông đặc bằng muối hay chất điện giải Hiện nay ta biết rõ là khi cho một dịch muối vào latex với thể tích tăng dần, gây đông đặc latex khi lƣợng chất điện giải cho vào vƣợt trội hơn “trị số đông kết”. Cơ chế gây đông đặc nhƣ sau: phần tử thể giao trạng bị khử điện tích do sự hấp thu của ion điện tích đối nghịch và sự đông kết tự sinh ra sau sự khử mất điện tích. Trị số đông kết (đông cục) thay đổi tùy theo latex và bản chất của muối, chủ yếu là muối cation bởi vì điện tích của các hạt tử cao su là âm. Tác dụng đông đặc là một hiện tƣợng khử mất điện tích nên nó tăng theo hóa trị của cation. Thực tế không thể có đƣợc sự đông đặc với các ion kiềm K+, Na+ (nhƣ muối ăn NaCl). Nó chỉ có thể xảy ra với các ion Ca++, Mg++, Sr++, Ba++ và còn nhanh hơn nữa với ion Al+++. Ảnh hƣởng của các anion muối tới sự đông đặc thì không đáng kể. Thực tế những muối đƣợc dùng để đông đặc latex là nitrate calcium hay chloride calcium, chloride magnesium, sulfate magnesium và sulfate nhôm. Latex không phải luôn luôn nhạy với tác dụng đông đặc của muối. Chẳng hạn latex thẩm tích (dialyse - latex bị lấy mất phần lớn chất điện giải) bị đông đặc khó hơn dƣới tác dụng của muối. Những yếu tố nhƣ mùa, tuổi cây cao su, tính chất đất vùng canh tác v.v... đều ảnh hƣởng tới tính chất khoáng chất của latex qua đó ảnh hƣởng tới sự đông đặc. Đông đặc bởi nhiệt độ Latex có thể bị đông đặc nhờ làm lạnh, khi hạ nhiệt độ tới -15°C và đƣa trở lại nhiệt độ bình thƣờng nó sẽ đông đặc lại. Nguyên nhân có lẽ do nhiệt độ quá thấp đã phá vỡ hệ thống hấp thu nƣớc của protein. Phƣơng pháp đông đặc hóa này hầu nhƣ không đƣợc sử dụng trong thực tế, bởi vì việc làm lạnh phải kéo dài tới 15 ngày thì sự đông đặc mới có thể xảy ra. Vài chất hóa học không có tác dụng gì tới latex ở nhiệt độ bình thƣờng, nhƣng lại có tác dụng gây đông đặc khi nóng lên, những chất này gọi là chất nhạy nhiệt (agents thermosensible). Trƣờng hợp tiêu biểu là khi latex có mặt ion kẽm và ion ammonium; khi nóng , chúng tạo thành ion dƣơng phức hợp Zinc ammonium gây đông đặc latex. 13 1.3 QUY TRÌNH ĐÁNH ĐÔNG MỦ CAO SU 1.3.1 Mô hình sản xuất mủ cao su kết hợp quy trình sản xuất acid acetic 1.3.2 Các bƣớc trong quy trình đánh đông mủ cao su Thu nhận và sơ chế latex cao su : Latex đƣợc thu từ các chén hứng mủ đƣợc cho vào các thùng sắt mạ kiềm dung tích từ 20-30l. Sau đó, đƣợc tập trung vào một xe bồn có dung tích từ 1,5-5 m3 và đƣa về nơi sản xuất. Khi thu nhận mủ đƣợc kháng đông bằng cách dùng một lƣợng dung dịch ammoniac 3% hoặc hỗn hợp ammoniac và acid boric. Đồng nhất mủ tại nhà máy : Khi tới nhà máy, latex đƣợc chuyển tới bể lắng từ 10-20 m3 để đồng nhất mủ latex thu đƣợc từ nhiều nguồn khác nhau bằng cách xáo trộn mủ với một chiếc máy khuấy quay tròn với vận tốc chậm. Thu nhận và sơ chế latex Vận chuyển latex tới nơi sản xuất Đồng nhất latex tại nhà máy Lọc sạch tạp chất Chế biến cao su thành phẩm Xác định hàm lƣợng cao su khô DRC Đánh đông mủ cao su Rửa sạch và sấy khô Acid acetic Hình 1.2 Mô hình quy trình đánh đông mủ cao su 14 Trong giai đoạn này mủ latex sẽ đƣợc làm đồng đều, đồng thời nhả bớt lƣợng chất kháng đông có trong mủ. Việc làm giảm nồng độ chất kháng đông ammoniac sẽ giúp tiết kiệm lƣợng acid trong giai đoạn đánh đông mủ. Sau đó, dung dịch đƣợc xác định hàm lƣợng chất khô DRC (Dry Rubber Content) và lƣợng chất kháng đông còn lại. Quy trình lọc mủ Mủ sau khi khuấy trộn đồng đều sẽ đƣợc cho đi qua một thiết bị lọc. Mục đích của việc này là nhằm giữ lại các hạt mủ đã đông trong khi chuyên chở và các mảnh vụn cành, lá, vỏ, các chất lạ lẫn lộn trong mủ. Thông thƣờng thì các cơ sở chế biến nhỏ dùng các loại rây lọc đơn giản (khoảng 20 lỗ/inch) hay qua lƣới lọc có mật độ dày hơn (60-80 lỗ/inch). Tại các nhà máy có công suất lớn thì thƣờng dùng máy lọc quay tròn. Quá trình xử lý đông đặc mủ cao su Hiện nay tại nƣớc ta có nhiều phƣơng pháp đánh đông mủ cao su, nhƣng nhìn chung có ba phƣơng pháp đánh đông đƣợc sử dụng nhiều nhất là: - Phƣơng pháp đánh đông trong bể hợp : Hình 1.3. Bể khuấy trộn mủ latex Máy khuấy Van đóng mở Hình 1.4. Bể đánh đông dạng bể hợp có vách ngăn (a). Dạng vách ngăn không xen kẽ (a). Dạng vách ngăn xen kẽ 15 Bể đƣợc thiết kế có dung tích khoảng 1500 lít, xây bằng ximăng bên trong có tráng lớp chống thấm. Trong bể là các vách ngăn xếp đều đƣợc làm bằng hợp kim chống thấm và không rỉ, khoảng cách giữa hai vách từ 5-10 cm, có hai dạng vách ngăn: vách ngăn xen kẽ (hình 1.4a) và không xen kẽ (hình 1.4b). Mủ cao su đƣợc pha loãng hòa trộn với acid sẽ đƣợc đƣa vào bể theo máng dẫn, mủ sẽ đông đặc trong bể và đƣợc lấy ra nhờ các móc sắt gắn ở đáy bể. - Phƣơng pháp đánh đông trong mƣơng dài : Mủ cao su sẽ chảy vào các mƣơng dài và đƣợc làm đông đặc. Các mƣơng này có chiều dài từ 10- 20m, nằm liên tiếp nhau với khoảng cách là 20cm. Mƣơng có bề rộng và sâu khoảng 40cm. Khối mủ sau khi đông đặc sẽ đƣợc nâng lên nhờ cho nƣớc với áp lực cao từ đáy mƣơng. Đây là phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất, thông thƣờng đánh đông theo phƣơng pháp này thì cần từ 3,7-10 kg acid acetic nguyên chất cho 1tấn mủ cao su thành phẩm (tỉ lệ 1%). - Phƣơng pháp đánh đông bằng máy ly tâm Đây là phƣơng pháp đánh đông mủ cao su mà không cần sử dụng acid acetic nhƣ một tác nhân gây đông đặc latex cao su. Phƣơng pháp sử dụng lực ly tâm để kết tụ các hạt tử cao su trong dịch latex khi nó đƣợc cho đi qua một máy ly tâm có số vòng quay lớn. Sau ly tâm các phân tử cao su không hòa tan đƣợc lắng tụ dƣới đáy thiết bị ly tâm và phần dịch serum (nƣớc và các chất hòa tan) sẽ đƣợc loại bỏ, ta thu đƣợc sản phẩm mủ ly tâm. Làm sạch, sấy khô và chế biến thành phẩm Mủ cao su sau khi đánh đông sẽ đƣợc cắt thành từng khối hình tấm dài và đƣợc cho vào một bể nƣớc để rửa sạch. Sau đó, các tấm mủ cao su này đƣợc đƣa vào một lò sấy bằng hơi nóng để sấy khô. Tùy từng loại sản phẩm mủ cao su muốn chế biến thì có những quy trình chế biến khác nhau nhƣ xông khói tạo mủ tờ xông khói (RSS), cao su Creps, cao su cốm... Cuối cùng là đóng gói bao bì thành phẩm. Hình 1.5. Bể đánh đông dạng máng dài 16 1.3.3 Ý nghĩa của việc thiết kế một phân xƣởng sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp sinh học phục vụ cho chế biến mủ cao su Hiện nay, hầu hết các nhà máy chế biến mủ cao su tại nƣớc ta đều sử dụng phƣơng pháp đánh đông dạng máng dài là chủ yếu vì phƣơng pháp ly tâm đòi hỏi phải đầu tƣ trang thiết bị hiện đại. Với sản lƣợng cao su ngày càng tăng cao, đặc biệt năm 2004 ngành cao su đạt năng suất cao nhất với tổng sản lƣợng 270000 tấn, trong đó xuất khẩu đƣợc hơn 250000 tấn cao su thành phẩm qua các thị trƣờng châu Á, châu Âu, châu Mĩ và đặc biệt là Trung Quốc. Việt Nam hiện đang là nƣớc đứng thứ 6 thế giới về sản lƣợng và thứ 4 về chế biến, xuất khẩu cao su thành phẩm. Nhƣ vậy, để sản xuất sản lƣợng cao su 270000 tấn thì cần 2700 tấn acid acetic nguyên chất mà với điều kiện nƣớc ta hiện nay thì phải nhập toàn bộ lƣợng acid acetic trên từ các nƣớc khác. Qua đó, thấy đƣợc rằng nhu cầu sử dụng acid acetic trong ngành chế biến mủ cao su là rất lớn. Để giải quyết triệt để nhu cầu acid acetic trong ngành cao su cần xây dựng thành công mô hình phân xƣởng sản xuất acid acetic tại các cơ sở chế biến cao su. Việc xây dựng các phân xƣởng này ngay tại nơi sản xuất đem lại các lợi ích lớn: - Hiện nay, nƣớc ta chƣa thể xây dựng một nhà máy sản xuất acid acetic với quy mô lớn do hạn chế về mặt công nghệ và vốn đầu tƣ quá lớn. Do đó, việc xây dựng các mô hình nhỏ phù hợp với điều kiện của từng cơ sở chế biến cao su là phù hợp. - Xây dựng các mô hình sản xuất dựa trên nhu cầu từng nơi sẽ giúp tăng tính linh hoạt trong việc xác định năng suất của mô hình dựa trên năng lực sản xuất của nơi đó. Không những vậy còn có thể chủ động trong việc lựa chọn nguyên liệu sản xuất acid acetic tùy theo điều kiện của từng vùng nhất định. - Chủ động đƣợc nguồn cung ứng acid acetic giúp làm giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm và làm tăng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trƣờng. Có thể thấy rằng xây dựng các mô hình sản xuất acid acetic tại các nhà máy chế biến mủ cao su có ý nghĩa thực tiễn về mặt kinh tế cũng nhƣ chiến lƣợc phát triển của ngành cao su nƣớc ta hiện nay. Do đó, việc cần làm nhất hiện nay là nghiên cứu và xây dựng đƣợc quy trình sản xuất cùng với phƣơng pháp sản xuất acid acetic thích hợp nhất, phù hợp với điều kiện của nƣớc ta. 17 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC 2.1 TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ACID ACETIC [17] 2.1.1 Các tính chất hóa lý của acid acetic Tính chất vật lý Acid acetic (Ethanoid acid) có công thức phân tử CH3COOH, khối lƣợng phân tử 60,5 kg/kmol, là một chất lỏng không màu, có mùi hăng, vị chua, có khả năng hút ẩm từ không khí; tnc=16,63°C; ts=118,1°C; tỷ trọng d 20 =1,0492; chỉ số khúc xạ nb 20 =1,3718; độ nhớt ở 20°C là 1,21.10-3 Ns/m2. Acid acetic là acid yếu có hằng số phân ly nhiệt động ở 25°C là k=1,75.10-5. Acid acetic tan trong nƣớc và các dung môi thƣờng (rƣợu, acetol, chloruafol, dichloethane...) và là dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ (nhựa, tinh dầu...). Acid acetic có tác dụng phân hủy da, gây bỏng, ăn mòn nhiều kim loại và hợp kim, hòa tan tốt nhiều chất vô cơ. Tính chất hóa học Các tính chất hóa học của acid acetic đƣợc quy định bởi sự có mặt của các nhóm carboxyl trong phân tử. Acid acetic có khả năng trung hòa các base, oxit base, đẩy acid carbonic ra khỏi muối của nó. CH3COOH → CH3COO - + H + 2CH3COOH + Ca(OH)2 → (CH3COO)2Ca + 2H2O 2CH3COOH + CaO → (CH3COO)2Ca + H2O 2CH3COOH + CaCO3 → (CH3COO)2Ca + CO2 + H2O Các kim loại tự do có thể thay thế hydro trong acid acetic: CH3COOH + Na → CH3COONa + 1/2H2 ↑ Acid acetic bền với tác nhân oxy hóa mạnh nhƣ acid cromic, permanganat kali. Tính chất này đƣợc ứng dụng để tinh chế acid acetic ra khỏi các tạp chất hữu cơ. Hơi acid có thể chịu nhiệt đến 400°C, nhƣng khi đun nóng quá 420°C thì hơi này bị phân hủy thành aceton, cacbonic và nƣớc. 2CH3COOH → (CH3)2CO + CO2 + H2O (t° > 420°C) 18 Khi có mặt các muối của acid sunfuric thì hơi acid acetic bị phân hủy mạnh tên 300°C tạo thành methanol và oxit cacbon: CH3COOH → CH3OH + CO Hơi acid acetic cháy trong không khí với ngọn lửa sáng xanh tạo thành cacbonic và nƣớc, phản ứng đốt cháy này cần có chất xúc tác và xảy ra ở nhiệt độ trên 300 °C: CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O Acid acetic tạo với các acid mạnh thành hợp chất kép dạng [CH3COOH].X, trong đó X là cantion acid; khi pha loãng thì phản ứng với anhydrid sunfuric tạo thành sunfo acetic và phản ứng với acid nitric bốc khói tạo thành acid diacetylnitric. CH3COOH + H2SO4 → [CH3COOH].[SO4H2] CH3COOH + SO3 → CH2SO3HCOOH CH3COOH + HNO3 → (CH3COO)2N(OH)3 2.1.2 Các ứng dụng của acid acetic Acid acetic có giá trị kỹ thuật to lớn, nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hóa học tổng hợp hữu cơ và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác. Các ứng dụng của acid acetic và các sản phẩm đƣợc trình bày ở bảng 1. Bảng 2.1. Các ứng dụng của acid acetic và các sản phẩm của nó Các sản phẩm sơ cấp (chế biến trực tiếp từ acid acetic) Các sản phẩm thứ cấp (chế biến từ các sản phẩm sơ cấp) - Dấm ăn, dƣợc phẩm, dung môi - Muối, màu lục Sunfua - Chlo acid acetic - Chlo acetyl, ketan - Anhydrid acetic - Acetat cellulose, Acetat gluco - Polyvinyl acetat - Các ester của rƣợu đơn chức - Chất cầm máu, dƣợc phẩm, thực phẩm - Sơn màu, màng phim không cháy - Thuốc sát trùng và diệt cỏ - Thuốc nhuộm hữu cơ, khô bột màu - Các chất thơm, các loại verni - Thủy tinh không vỡ - Các chất dẻo và phim ảnh - Keo tụ mủ cao su 19 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT ACID ACETIC [20] Acid acetic đƣợc sản xuất bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau, nhƣng chủ yếu bằng bốn phƣơng pháp sau: - Phƣơng pháp hóa học - Phƣơng pháp hóa gỗ - Phƣơng pháp hỗn hợp - Phƣơng pháp hóa sinh 2.2.1 Sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp hóa học Nguyên liệu sản xuất từ C2H2, C2H5OH hay C2H4 cho tiến hành quá trình tổng hợp có xúc tác sẽ thu đƣợc acetaldehyd. Sau đó, đem oxy hóa acetaldehyd nhờ có xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao sẽ thu đƣợc acid acetic: CH ≡ CH + H2O CH2 = CH2 + ½ O2 Giai đoạn oxy hóa acetaldehyd thành acid acid acetic dùng xúc tác Mangan, t°=50-80 °C để điều chế acid có hiệu suất cao. Phƣơng pháp mới hiện nay dùng nguồn nguyên liệu từ metanol và CO bằng phản ứng cacbonyl hóa. CH3OH + CO → CH3COOH Phƣơng pháp này có giá trị thực tế khá cao nhƣng do tạo nhiều sản phẩm phụ nên làm giảm hiệu suất phản ứng, sản phẩm thu đƣợc có lẫn nhiều tạp chất có khi có cả chất độc hại nên khó sử dụng trong chế biến thực phẩm. CH3CHO CH3COOH +O2 20 2.2.2 Sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp hóa gỗ - Sản xuất acid acetic từ bột gỗ Trong quá trình chƣng gỗ cho bay hơi lên đi qua nƣớc vôi ta thu đƣợc muối của acid acetic (dạng muối Canxi acetat) ít tan, kết tủa cùng với các hợp chất khác gọi là bột giấm gỗ. Phân hủy bột giấm gỗ bằng H2SO4 hay HCl sau đó lọc sạch và thu acid acetic bằng cách chƣng cất. - Sản xuất acid acetic từ giấm gỗ Khi chƣng cất thủy phân gỗ, thu đƣợc giấm gỗ, đó là dung dịch nƣớc có chứa acid acetic, metanol, hắc ín và một số hợp chất hữu cơ khác với hàm lƣợng các chất tùy thuộc vào giống gỗ, tuổi thọ và độ ẩm của gỗ... Từ giấm gỗ, tách đƣợc acid acetic bằng muối kim loại hay bằng một trong các quá trình tách trực tiếp. - Tách acid acetic trực tiếp từ nƣớc ngƣng khi chƣng gỗ Để tách acid acetic từ bột giấm gỗ cần tiêu tốn nhiều vật liệu phụ, nhiên liệu và năng lƣợng khá lớn . Do đó, ngƣời ta tìm cách tách acid acetic trực tiếp từ nƣớc ngƣng khi chƣng gỗ. Sau khi ngƣng tụ hơi chƣng gỗ, để lắng và tách ra đƣợc hai lớp: - Lớp nhẹ ở trên là chất lỏng chứa lƣợng acid acetic không đáng kể. - Lớp dƣới chính là nhựa do acid acetic cùng với một số chất khác keo tụ lại, đem gia công nó ngƣời ta thu đƣợc acid acetic và nhiều chất khác. 2.2.3 Sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp hỗn hợp Phƣơng pháp này ra đời cùng với sự phát triển công nghiệp hóa dầu và hóa gỗ nhằm tận dụng những phế liệu của nó, nâng cao hiệu quả kinh tế của các ngành này. Một vài quá trình của phƣơng pháp này nhƣ sau: - Oxy hóa các hydrocacbon thấp nhƣ propan, butan sẽ tạo thành acetaldehyd, formandehid, aceton và các sản phẩm khác. Acetaldehyd đƣợc oxy hóa có xúc tác thành acid acetic - Trong quá trình sản xuất nhiên liệu từ than đá và khí tự nhiên sẽ thu đƣợc acid acetic và một số sản phẩm khác. - Dùng phƣơng pháp thủy phân gỗ bằng acid (hay muối acid) cùng với một số chất khác ở nhiệt độ và áp suất nhất định sẽ thu đƣợc bột cellulose và dung dịch gồm nhiều chất nhƣ acid acetic, ethanol... Đem lên men dung dịch này và tách acid acetic từ dung dịch len men này. 21 2.2.4 Sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp sinh hóa Việc ứng dụng các quá trình có vi sinh vật tham gia để sản xuất rƣợu, bia, muối dƣa, làm tƣơng, làm giấm ... đã đƣợc con ngƣời phát hiện và sử dụng từ xa xƣa. Đến cuối thế kỷ XVII, con ngƣời đã phát hiện ra vi sinh vật nhƣng thực tế phải sau những cống hiến lớn lao của nhà bác học Louis Pasteur thì khoa học về vi sinh mới chính thức ra đời. Ngày nay trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật thực phẩm nói riêng, ngành vi sinh vật đã và đang là cơ sở cho những quy trình sản xuất nhiều loại thực phẩm, dƣợc phẩm... có giá trị cao, chất lƣợng tốt. Vi sinh vật có khả năng phát triển kỳ diệu và có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định nhờ các enzyme có trong cơ thể chúng. Nhờ các enzyme này, nhiều phản ứng hóa học rất khó xảy ra ở điều kiện bình thƣờng về áp suất, nhiệt độ, độ pH và xảy ra với tốc độ rất cao. Không những vậy, enzyme của vi sinh vật có thể tác dụng ngay với nồng độ rất thấp của cơ chất mà ít sinh ra các sản phẩm phụ, chính vì vậy mà nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiến hành các quy trình sản xuất ở quy mô công nghiệp. Trên cơ sở các công trình nghiên cứu đã phát hiện ra những đặc tính của vi sinh vật, đặc biệt là tính sinh tổng hợp cao, vi sinh vật ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi vào nhiều ngành công nghiệp mới nhƣ sinh tổng hợp các acid amin, sinh tổng hợp các acid hữu cơ, sinh tổng hợp các thuốc kháng sinh, sản xuất các chế phẩm enzyme... Bên cạnh sự phát triển của ngành vi sinh vật học, công nghệ sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp sinh hóa ngày càng đƣợc hoàn thiện về quy trình công nghệ với những chủng vi sinh vật có khả năng oxy rƣợu cao. Sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp sinh hóa thực chất là quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ có trong môi trƣờng nuôi cấy thành rƣợu ethylic, rồi sau đó rƣợu ethylic sẽ đƣợc oxy hóa tiếp để chuyển thành acid acetic nhờ một nhóm vi khẩn acetobacter khi có mặt của oxy. Từ trƣớc tới nay có bốn phƣơng pháp sản xuất giấm: - Phƣơng pháp chậm - Phƣơng pháp nhanh - Phƣơng pháp chìm - Phƣơng pháp hỗn hợp 22 2.2.5 Phân tích và lựa chọn phƣơng pháp sản xuất acid acetic Trong bốn phƣơng pháp sản xuất acid acetic trên, hiện nay trên thế giới chiếm ƣu thế nhất là phƣơng pháp tổng hợp hóa học (nhất là các nƣớc phát triển) do có hiệu quả kinh tế cao, thiết bị gọn nhẹ, năng suất cao sản phẩm có nồng độ cao và ít tạp chất. Phƣơng pháp hỗn hợp vẫn ở giai đoạn thăm dò, chƣa có quy trình nào đƣợc sử dụng rộng rãi do tính kinh tế thấp, hệ thống sản xuất phức tạp. Phƣơng pháp hóa gỗ chỉ thực sự có lợi tại những nƣớc có sản lƣợng gỗ lớn (nhƣ các nƣớc Đông Âu). Ở Việt Nam, chƣa thể đặt vấn đề sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp tổng hợp và phƣơng pháp hỗn hợp vì chƣa thể đáp ứng các yêu cầu về mặt thiết bị và kỹ thuật sản xuất. So với hai phƣơng pháp đó, phƣơng pháp hóa gỗ có đơn giản hơn về mặt quá trình và thiết bị nhƣng lại gặp nhiều khó khăn về mặt nguyên liệu gỗ để sản xuất nên phƣơng pháp khó có thể triển khai tại nƣớc ta. Trong khi đó, quá trình lên men giấm bằng vi sinh vật đã có ở nƣớc ta từ rất lâu đời, nó đã trở thành một sản phẩm lên men truyền thống của nhiều vùng trong nƣớc. Nguồn giống vi sinh sản xuất trong nƣớc khá đa dạng trong đó có những giống cho chất lƣợng rất tốt. Việc sử dụng các sản phẩm: tinh bột, mật rỉ, nƣớc ép trái cây... để lên men giúp ta tận dụng đƣợc nguồn nguyên liệu sẵn có tại chỗ, sử dụng đƣợc những phế phẩm từ ngành khác (nhƣ nông nghiệp, công nghiệp, thực phẩm...). Qua đó còn có thể bảo vệ môi trƣờng khỏi bị ô nhiễm, duy trì cân bằng sinh thái. Nhƣ vậy, nƣớc ta đã có nền tảng cơ bản về sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp sinh hóa và với trình độ khoa học kỹ thuật của nƣớc hiện nay thì hoàn toàn có thể thiết kế một quy trình sản xuất acid acetic. Từ những phân tích, so sánh các ƣu điểm và nhƣợc điểm của các phƣơng pháp sản xuất acid acetic đã nêu nhƣ trên, cũng nhƣ đánh giá tình hình tiến bộ khoa học kỹ thuật trong nƣớc cho thấy việc lựa chọn phƣơng pháp sinh hóa để sản xuất acid acetic là thích hợp nhất. 23 2.3. SẢN XUẤT ACID ACETIC BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HÓA 2.3.1 Quá trình lên men acid acetic Lên men là quá trình oxy hóa - khử sinh học để thu năng lƣợng và các chất trung gian. Mọi quá trình muốn tiến hành đƣợc đòi hỏi phải cung cấp một nguồn năng lƣợng cần thiết. Để thực hiện các hoạt động sống nhƣ sinh trƣởng, sinh sản và phát triển của mình, vi sinh vật cũng đòi hỏi phải có năng lƣợng. Năng lƣợng đó sẽ đƣợc tạo ra trong quá trình lên men. Các tế bào sống chỉ sử dụng năng lƣợng dƣới dạng hóa năng tồn trữ trong các mạch cacbon và đƣợc giải phóng ra trong các phản ứng enzyme do sự chuyển electron từ mức năng lƣợng này sang mức năng lƣợng khác. Nguyên liệu ban đầu của quá trình lên men là những hợp chất hữu cơ cao phân tử nhƣ tinh bột, polysaccharide, lipip, protein... và những chất vô cơ cần có cho sự sống. Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột phải qua ba giai đoạn chuyển hóa: - Giai đoạn một : chuyển tinh bột thành đƣờng - Giai đoạn hai : chuyển đƣờng thành cồn - Giai đoạn ba : chuyển cồn thành acid acetic Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa đƣờng thì chỉ qua hai giai đoạn hai và ba Nếu sản xuất trực tiếp từ nguyên liệu là cồn thì chỉ cần tạo điều kiện thuận lợi để vi khuẩn chuyển cồn thành acid. Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong các quá trình lên men là những phản ứng chuyển hydro. Nhƣng sự chuyển hydro cũng tƣơng đƣơng với sự chuyển electron, vì nguyên tử hydro có thể tách ra thành proton H+ và electron. Các enzyme xúc tác cho quá trình tách nguyên tử hydro khỏi cơ chất gọi là enzyme dehydrogenase. Trong quá trình lên men giấm, rƣợu ethylic đƣợc oxy hóa thành acid acetic. Ở đây, sự chuyển hydro đƣợc thực hiện nhờ sự xuất hiện của NADP (Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phophat dạng oxy hóa). Hydro đƣợc NADP nhận (trở thành NADPH2) đƣợc chuyển qua chuỗi hô hấp để thu nhận năng lƣợng, song cơ chất không bị phân giải hoàn toàn nên đƣợc gọi là quá trình oxy hóa không hoàn toàn. 24 2.3.2. Bản chất sinh hóa của quá trình lên men acid acetic Lên men acid acetic là quá trình oxy hóa rƣợu ethylic thành acid acetic nhờ có enzyme alcohol oxydase (của vi khuẩn acetic) xúc tác trong điều kiện hiếu khí. Phƣơng trình tổng quát của quá trình lên men là: C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O + 177Kcal (1.1) Phản ứng này xảy ra trong tế bào của vi khuẩn. Để chuyển hóa thành acid acetic, rƣợu và oxy phải đƣợc thẩm thấu vào trong tế bào. Khi đó các enzyme oxy hóa có trong tế bào của vi khuẩn sẽ tham gia oxy hóa rƣợu thành acid acetic, acid đƣợc tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào và tan trong dung dịch môi trƣờng (xem hình 2.1). Trong tế bào của vi khuẩn, quá trình oxy hóa xảy ra rất phức tạp phải trải qua ba giai đoạn. Ba giai đoạn đó đƣợc tóm tắt nhƣ sau: C2H5OH + O2 → CH3CHO + H2O (1.2) CH3CHO + H2O → CH3CH(OH)2 (1.3) CH3CH(OH)2 + O2 → CH3COOH + H2O (1.4) CH3CHO: Acetaldehyd ; CH3CH(OH)2: Hydrate acetaldehyd Điều nên lƣu ý là, khi môi trƣờng lên men hết rƣợu thì vi khuẩn acetic sẽ tham gia quá trình oxy hóa acid acetic thành CO2 và H2O để thu nhận năng lƣợng dùng cho quá trình sinh trƣởng và phát triển của mình CH3COOH + O2 → CO2 + H2O (1.5) Đây là sự oxy hóa rất có hại cho quá trình lên men giấm. Chính vì thế trong dịch lên men bao giờ ngƣời ta cũng để lại một lƣợng cồn khoảng 0,3-0,5% để vi khuẩn có thể sử dụng cồn mà không sử dụng acid acetic nhƣ một nguồn năng lƣợng. CH3COOH CH3COOH C2H5OH CO2 Môi trƣờng Môi trƣờng Tế bào Hình 2.1. Quá trình oxy hóa rƣợu thành acid 25 2.3.3 Các phƣơng pháp sản xuất acid acetic bằng cách lên men Yếu tố quan trọng nhất quyết định hiệu suất và năng suất của một phƣơng pháp sản xuất acid acetic chính là bề mặt tiếp xúc giữa oxy của không khí, cơ chất và tế bào vi sinh vật. Hiện nay, đã có bốn phƣơng pháp sản xuất acid acetic bằng cách lên men: Phƣơng pháp chậm Đây là phƣơng pháp lên men giấm truyền thống của ngƣời Pháp. Quá trình lên men xảy ra ở bề mặt tiếp xúc pha giữa khối dịch lên men và không khí (bề mặt thoáng) trong những thùng lên men đƣợc thiết kế nhƣ sau: Thùng lên men có dung tích 0,25- 0,3 m 3 bằng gỗ sồi và có hình tang trống, giống các thùng lên men rƣợu vang (xem hình 2.2). Nguyên liệu đƣợc dùng là nƣớc nho ép đƣợc lên men với giống vi khuẩn Acetobacter orleaneuse. Đầu tiên một lƣợng giấm tƣơi chất lƣợng cao (khoảng 1/5 thể tích) đƣợc cho vào thùng để acid hóa và sau đó dịch lên men đƣợc cho thêm vào để đạt 1/2 hoặc 2/3 thể tích. Tiến hành lên men ở nhiệt độ thƣờng. Quá trình lên men kết thúc sau vài tuần, khi đó hàm lƣợng acid thu đƣợc từ 5-6%, hàm lƣợng cồn còn lại khoảng 0,2-0,3%. Hàm lƣợng này là khá thấp rất có khả năng bị oxy hóa tiếp, làm giảm độ acid. Do đó, giấm sản xuất xong phải đƣợc thanh trùng và tiêu thụ ngay. Phƣơng pháp chỉ chủ yếu sản xuất giấm thực phẩm, vì giấm làm ra có mùi thơm rất đặc trƣng, nồng độ acid vừa phải. Tuy nhiên năng suất thu đƣợc thấp do thời gian lên men khá dài, thiết bị cồng kềnh. Phƣơng pháp nhanh (phƣơng pháp Đức) Phƣơng pháp này tạo đƣợc bề mặt tiếp xúc pha giữa lỏng, khí và vi sinnh vật lớn nhờ bổ sung vật liệu bám trong thiết bị nên năng suất và hiệu suất cao hơn, khắc phục đƣợc những điểm yếu của phƣơng pháp chậm. Ở phƣơng pháp này ngƣời ta tƣới dịch lên men cho chảy chậm qua thùng lên men (gọi là generator), bên trong đổ đầy vật liệu bám có màng vi khuẩn trên bề mặt, không khí đi ngƣợc chiều từ dƣới lên, dịch lên men chuyển hóa nhanh nhờ vi khuẩn. Hình 2.2. Thùng lên men giấm theo phƣơng pháp chậm 26 Nếu generator đủ cao, điều kiện vận hành đƣợc khống chế tốt thì chỉ cần cho dịch lên men qua tháp một lần đã có thể thu đƣợc giấm đặc ở đáy thiết bị. Ƣu điểm: thời gian lên men ngắn; thiết bị đơn giản, năng suất cao, ổn định; sản phẩm có nồng độ cao 11-12%. Nhƣợc điểm: hiệu suất không cao, phải chọn vật liệu bám phù hợp. Phƣơng pháp chìm (phƣơng pháp sục khí) Ở phƣơng pháp này không khí đƣợc sục qua khối dịch lên men mãnh liệt sẽ tạo thành một thể huyền phù với pha rắn là vi khuẩn giấm; pha lỏng là dịch lên men. Dịch lên men đƣợc chuyển hoá thành giấm rất nhanh. Phƣơng pháp này có hiệu suất cao, tối thiểu là 91-92%, còn nếu khống chế tốt điều kiện vận hành có thể đạt tới 98-99%. Ngoài ra, các acetator cho năng suất cao hơn hai lần so với phƣơng pháp nhanh. Nó đƣợc ra đời sau những kết quả nuôi cấy chìm để sản xuất thuốc kháng sinh, men bánh mì. Tuy có những ƣu điểm lớn nhƣng mãi đến gần đây mới đƣợc ứng dụng rộng rãi do nhu cầu phức tạp của thiết bị, tính ổn định không cao và việc đòi hỏi phải cấp oxy liên tục trong quá trình lên men. Phƣơng pháp hỗn hợp (phƣơng pháp lai) Đây là phƣơng pháp lai giữa hai phƣơng pháp nhanh và chìm. Ngƣời ta thiết kế một hệ thống lên men bao gồm 3 phần: phần trên là lớp đệm vi sinh vật, hoạt động nhƣ phƣơng pháp lên men nhanh; phần dƣới là một thùng chứa phần dung dịch đã đƣợc lên men ở phần trên chảy xuống (giống thiết bị lên men chìm);dƣới cùng là hệ thống thổi khí mạnh; khí sẽ đƣợc thổi qua phần dung dịch này rồi chuyển ngƣợc lên phần trên. Môi trƣờng vào Không khí ra Không khí vào Dịch lên men Hình 2.4. Thiết bị lên men theo phƣơng pháp chìm Môi trƣờng vào Không khí ra Không khí vào Sản phẩm ra Hình 2.3. Thiết bị lên men theo phƣơng pháp nhanh Thu sản phẩm 27 Khi ngừng cung cấp oxy qua bộ phận sục khí (khi nguồn điện bị ngắt đột ngột) vẫn không ảnh hƣởng đến vi khuẩn vì lúc đó các van thông khí trong thiết bị đƣợc mở ra và không khí đi vào nhờ thông khí tự nhiên, do đó màng vi khuẩn trên đệm vẫn không bị chết. Phƣơng pháp này khắc phục nhƣợc điểm và ƣu điểm của hai phƣơng pháp nhanh và chìm, trong đó ƣu điểm lớn nhất là hiệu suất lên men rất cao, nồng độ acid thu nhận đƣợc nằm trong khoảng từ 10-12%. Chọn phƣơng pháp lên men Phƣơng pháp chậm do có nhiều nhƣợc điểm nhƣ đã nói trên nên khi lựa chọn phƣơng pháp sản xuất giấm trong công nghiệp sẽ không dùng phƣơng pháp này. Phƣơng pháp chìm tuy có nhiều ƣu điểm nhƣng trong tình hình hiện nay ở Việt Nam chƣa thể đi theo hƣớng này đƣợc. Xuất phát từ tình hình điện năng thiếu hụt, trình độ khoa học kỹ thuật còn hạn chế không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu nghiêm ngặt khắc khe về thông số và tính phức tạp của bộ phận làm sạch khí khỏi những tạp chất, dầu mỡ làm cho không khí bị tạp nhiễm sau khi đi qua máy nén quạt, ... Phƣơng pháp tổ hợp với những đòi hỏi khắc khe hơn nhƣng nó vẫn còn một số vấn đề mà hiện nay ta khó đáp ứng nổi, chẳng hạn nhƣ vấn đề nén khí lọc khí, bộ phận phân phối khí một cách liên tục và ổn định. Phƣơng pháp nhanh để sản xuất acid acetic đã đƣợc phát triển và hoàn thiện ở trình độ cao gần 100 năm qua. Vì có những ƣu điểm nhƣ thời gian lên men ngắn, yêu cầu về thiết bị và kỹ thuật không cao ta có thể đáp ứng đƣợc, không gây ô nhiễm môi trƣờng. Vì vậy, hợp lý nhất trong giai đoạn hiện nay và trong tƣơng lai gần là nên sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh. T ái lên m en Môi trƣờng vào Khí thoát ra Vật liệu bám chứa vi khuẩn Dịch lên men Khí vào Thu sản phẩm Hình 2.5. Thiết bị lên men theo phƣơng pháp hỗn hợp 28 2.4 SẢN XUẤT ACID ACETIC THEO PHƢƠNG PHÁP NHANH 2.4.1 Các phƣơng pháp sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh Vấn đề cơ bản của phƣơng pháp nhanh là diện tích bề mặt tiếp xúc pha giữa pha lỏng, pha khí và màng vi sinh vật. Do đó, bằng cách bổ sung các vật liệu xốp làm vật liệu bám (có độ nhám lớn), mà trên đó có màng vi khuẩn che phủ. Hiệu quả của phƣơng pháp này cao do bề mặt hoạt động sinh học tính theo thể tích lên men lớn. Dựa trên nguyên lý đó, từ trƣớc đến nay đã có nhiều phƣơng pháp để sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh, sau đây là một số phƣơng pháp chủ yếu: Phƣơng pháp trống quay Ngƣời ta thiết kế thiết bị lên men có dạng hình trụ nằm ngang bên trong một thùng chứa dung dịch lên men hở nắp. Thiết bị hình trụ này đƣợc bọc một lớp vật liệu có khả năng thấm nƣớc, có khả năng giữ vi sinh vật và có cấu trúc sao cho nhận đƣợc một lƣợng không khí lớn nhất đối với vật liệu đệm chứa trong đó. Một nửa thiết bị này nằm trong lòng dung dịch lên men, nửa còn lại nằm trên dung dịch lên men và đƣợc tiếp xúc với không khí. Do đó, khi vận hành (cho thiết bị quay tròn) luôn có một nửa thiết bị tiếp xúc với không khí.Ngƣời ta thiết kế số vòng quay thích hợp sao cho trong quá trình tiếp xúc không khí, các vi khuẩn giấm trên đệm có thể oxy hóa triệt để rƣợu có trong dịch lên men. Nhìn chung phƣơng pháp có ƣu điểm là đơn giản, dễ vận hành. Nhƣng nhƣợc điểm là năng suất không cao, thiết bị tƣơng đối cồng kềnh, thời gian lên men kéo dài. Vật liệu đệm Trục quay Dịch lên men Hình 2.6. Thiết bị lên men nhanh bằng phƣơng pháp trống quay 29 Phƣơng pháp nhúng Thiết bị lên men là thùng thẳng đứng, bên trong có một hay nhiều giỏ bằng gỗ sồi hoặc hoàng diệp liễu chứa đầy chất mang (mạt cƣa, lõi bắp, than củi hay vật liệu cellulose có khả năng giữ vi khuẩn trên đó). Các giỏ có thể nâng lên hoặc hạ xuống Ngƣời ta chuẩn bị và đổ môi trƣờng vào đầy ½ thùng lên men. Vi sinh vật sẽ đƣợc làm bám dính vào các vật liệu đựng trong giỏ. Giỏ chứa vật liệu vi sinh vật sẽ đƣợc nhúng xuống dung dịch lên men rồi lại nhấc chúng ra khỏi dung dịch. Khi chiếc giỏ chứa chất mang có vi sinh vật thấm đầy môi trƣờng và đƣợc nhấc lên không khí, quá trình oxy hóa rƣợu đƣợc xảy ra. Thao tác này lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi rƣợu trong thùng lên men đƣợc giấm hóa hoàn toàn. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là dễ thực hiện, thiết bị đơn giản, lên men nhanh. Nhƣng nhƣợc điểm phƣơng pháp này là năng suất thấp, rất dễ bị nhiễm vi sinh vật lạ. Phƣơng pháp dịch chuyển Thiết bị lên men của phƣơng pháp này gồm một thùng, bên trong có một cái phao và bên ngoài lắp với hai thùng phản ứng đặt bên cạnh thùng chính. Khi phao chứa đầy nƣớc hoặc các vật nặng khác, khối dịch lên men chứa trong thùng chính bị ép phải dịch chuyển vào hai thùng phản ứng bên cạnh chứa đầy vỏ bào có vi khuẩn giấm bám trên bề mặt. Khi những đệm trong thùng phản ứng đã bão hòa dịch lên men, phao đƣợc lấy ra và dịch lên men lại tràn về thùng chính. Phƣơng pháp này đơn giản nhƣng cồng kềnh, năng suất thấp, khó điều chỉnh quá trình nén đẩy chất lỏng từ thùng chính sang thùng phản ứng, không khí dễ bị nhiễm bẩn. Vật liệu đệm Dịch lên men Hình 2.7. Thiết bị lên men nhanh bằng phƣơng pháp nhúng Thùng lên men 30 Phƣơng pháp cố định (hay phƣơng pháp germentor) Trong phƣơng pháp này thùng phản ứng (generator) là một thùng hình trụ thẳng đứng bằng gỗ (hoặc cả vật liệu chống ăn mòn) bên trong có tráng một lớp parafin. Đồng thời có đổ đầy những vật liệu bám có màng vi khuẩn giấm che phủ. Phần vật liệu bám này đƣợc giới hạn giữa hai đáy giả cách đáy trên và đáy dƣới 25 cm có khoan những lỗ nhỏ để phân phối đều khí và lỏng. Ở đáy trên có những lỗ để tƣới dịch lên men vào và cho không khí đi ra. Không khí đƣợc hút vào generator qua những lỗ nhỏ đƣợc khoan xung quanh thành dƣới đáy giả. Để cho không khí vào mà lỏng không ra đƣợc, các lổ đƣợc khoan dƣới những góc nhọn với đƣờng nằm ngang. Hai pha khí lỏng đi ngƣợc chiều nhau tiếp xúc trong generator sẽ đƣợc vi khuẩn chuyển hóa thành giấm. Nếu chiều cao generator đủ lớn, dịch lên men chỉ cần đi qua một lần là đƣợc giấm hóa toàn bộ. Nếu quá trình lên men tốt, nhiệt độ phần làm việc của generator cao hơn nhiệt độ ở ngoài từ 10-12°C tạo điều kiện cho thông khí tự nhiên. Nhìn chung ba phƣơng pháp đầu không đƣợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất, phƣơng pháp cuối cải tiến nhất và đƣợc cải tiến không ngừng do nó có những ƣu điểm: năng suất tƣơng đối lớn, thiết bị tƣơng đối gọn, có thể tiến hành sản xuất trong mọi điều kiện vì có sự thông khí tự nhiên không phụ thuộc vào nguồn điện. Với những ƣu điểm trên, việc lựa chọn thiết bị lên men theo phƣơng pháp cố định để sản xuất acid acetic phục vụ cho chế biến mủ cao su là hợp lý nhất. 06 01 02 03 04 04 05 05 07 Hình 2.8. Thiết bị lên men nhanh theo phƣơng pháp cố định (generator thông khí tự nhên) 1. Cửa đổ dịch lên men 2. Nhiệt kế 3. Van hút không khí 4. Lƣói đỡ đệm trên 5. Lƣới đỡ đệm dƣới 6. Cửa khí ra 7. Đĩa phân phối lỏng 31 2.4.2 Đặc điểm quá trình sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp cố định Lựa chọn và xử lý vật liệu bám Đây là yếu tố quyết định tính hơn hẳn của phƣơng pháp nhanh so với phƣơng pháp chậm. Khi chọn vật liệu bám cần căn cứ vào các yêu cầu sau: - Có độ bền cơ học cao, diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao. - Rẻ tiền, dễ kiếm, ổn định và có khối lƣợng riêng tƣơng đối nhỏ - Có tính trơ tức không phản ứng với dịch lên men, không khí và sản phẩm lên men, cũng nhƣ không tiết ra những hợp chất hóa học gây độc hại đối với vi sinh vật và mùi khó chịu cho giấm. - Đủ độ nhám và độ xốp để màng vi khuẩn có thể bám chặt ở một chế độ thủy động lực học nhất định. Hiện nay, vật liệu bám có nguồn gốc cellulose đƣợc sử dụng nhiều nhất là phoi gỗ sồi. Nó đƣợc đánh giá rất cao vì có độ cứng tốt và trong các thớ gỗ có chứa nhiều mao quản xốp. Gỗ sồi có thể làm việc từ 20-30 năm có khi đến 50 năm mới chịu thay. Riêng đối với Việt Nam, tuy không có gỗ sồi nhƣng lại có hai loại vật liệu bám rất thích hợp có khả năng thay thế tốt nhất cho gỗ sồi có tại Việt Nam là lõi ngô và tre. Cả hai đều đáp ứng đầy đủ những yêu cầu cho việc sử dụng làm vật liệu bám. Tuy nhiên, trải qua quá trình thử nghiệm với hai loại vật liệu bám trên thì với chất mang bằng tre đã cho thấy những ƣu điểm hơn hẳn. Sau quá trình lên men, vật liệu tre vẫn không giảm độ cứng, đảm bảo tốt độ nhám độ xốp, diện tích bề mặt tiếp xúc và không tiết ra chất gây hại cho vi khuẩn giấm. Ngoài ra thì vật liệu tre có tuổi thọ lớn hơn vật liệu bằng lõi ngô. Do đó, tre là vật liệu bám thích hợp nhất cho quá trình sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh. Vấn đề xử lý vật liệu bán cũng khá quan trọng nhằm tách những chất độc hại nhƣ: tanin, lignin, các loại tinh dầu... thƣờng hay có trong vật liệu có nguồn gốc từ thực vật. Vì vậy cần xử lý vật liệu bám cẩn thận trƣớc khi sử dụng. Một trong những phƣơng pháp hay làm trong công nghiệp là trích ly toàn bộ bằng nƣớc nóng, sau đó ngâm chúng trong dung dịch acid hay kiềm để trích ly triệt để hơn các chất đã nêu trên. 32 Chuẩn bị cấy giống vào generator Đây là khâu quan trọng nhất quyết định sự thành công của quá trình lên men nhờ khâu này mà vi khuẩn giấm bám trên bề mặt đệm. Vật liệu bám qua xử lý, chất đầy vào generator, rồi thanh trùng cho generator bằng hơi nƣớc. Dùng giấm tƣơi chƣa lọc trong và thanh trùng, lấy từ generator có hiệu suất cao và tuần hoàn qua generator trong khoảng 8-12 giờ. Ban đầu, generator đƣợc cách ly không khí bằng cách đóng các van thông khí để tránh sự tạp nhiễm từ bên ngoài do không khí không đƣợc lọc sạch. Sau ngày thứ hai, generator đƣợc thông khí rất nhẹ đến khi vi khuẩn giấm sinh sản trên bề mặt vật liệu bám (biểu hiện ở sự chênh lệch nhiệt độ trong ngoài generator do nhiệt phản ứng). Generator chấm dứt giai đoạn cấy giống chuyển sang giai đoạn lên men. Cấp dịch vào và tháo sản phẩm ra khỏi generator Sự cấp dịch vào generator đƣợc tƣới đều trên bề mặt vật liệu bám nhờ cơ cấu phân phối, nhằm tạo màng chất lỏng phủ bên ngoài màng vi khuẩn là nhỏ nhất để giảm trở lực trong quá trình chuyển khối giữa các pha. Để làm đƣợc điều đó ngƣời ta dùng cơ cấu máng lật (xem hình 2.9b) hoặc bánh xe (xem hình 2.9a). Trong các generator hiện đại thƣờng dùng cơ cấu phân phối tự động. Việc tháo sản phẩm là một công đoạn của công nghệ bao gồm việc lựa chọn lƣợng dịch đã đƣợc lên men để lấy ra và thời gian để thu hồi nó ở dƣới đáy giả sao cho lƣợng rƣợu còn lại trong dịch lên men còn 0,2-0,3%. Sự thông khí Việc cung cấp đầy đủ lƣợng không khí cho generator có ý nghĩa rất quan trọng ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình hô hấp của vi sinh vật. Thông thƣờng dùng không khí là nguồn cung cấp oxy, ví nếu dùng oxy nguyên chất sẽ gây độc tính nhất định cho vi khuẩn. Trong không khí còn có khí N2 và một số khí khác sẽ đẩy khí CO2 (sản phẩm của quá trình hô hấp), nhờ thế giảm bớt tác dụng ức chế của CO2 đối với vi sinh vật. Lỏng Khí (a) (b) Hình 2.9. Bộ phận phân phối lỏng dạng bánh xe cermep (a) và dạng máng lật (b) 33 Trong sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp cố định sự thông khí đƣợc thực hiện một cách tự nhiên nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần trong và ngoài generator. Nếu quá trình oxy hóa tốt sẽ tỏa ra một lƣợng nhiệt đáng kể (2420 kcal\1kg rƣợu) và nhờ vậy trong và ngoài generator chênh nhau từ 10-14°C. Thông khí tự nhiên nhƣ vậy sẽ đơn giản, đỡ tốn kém (do không cần sử dụng quạt, máy nén, bộ lọc dầu không khí sau khi qua máy nén...) nhƣng dễ bị nhiễm khuẩn do không khí chƣa đƣợc lọc sạch. Ngoài ra có thể dùng quạt hay máy nén... để nén không khí cung cấp cho generator, làm nhƣ vậy sẽ khống chế lƣợng không khí đƣa vào nhƣng phải bảo đảm độ sạch của không khí khi qua máy nén. Kiểm tra và khống chế nhiệt độ Nhiệt độ là một thông số khó khống chế trong generator. Trƣớc đây, để khống chế nhiệt độ cho phù hợp với quá trình lên men bằng cách cho dịch lên men tuần hoàn qua một thiết bị trao đổi nhiệt trƣớc khi vào generator. Trong những năm gần đây nhiệt độ đƣợc khống chế trong generator nhờ những đoạn vỏ bọc ngoài theo thành thiết bị (hình 2.10) hoặc theo kiểu làm nguội giữa chừng (hình 2.11). t 0 Tác nhân t0 t0 Sản phẩm t L (m) t(°C) Hình 2.11. Khống chế nhiệt độ bằng làm nguội giữa chừng Không khí Không khí Cơ chất Sản phẩm Nƣớc Hình 2.10. Khống chế nhiệt độ bằng vỏ bọc ngoài 34 Vận hành generator Trong thực tế sản xuất, generator đƣợc vận hành theo nhiều hƣớng khác nhau nhƣng phổ biến nhất là một trong ba hƣớng sau: - Vận hành đơn: Dịch lên men chỉ qua generator một lần, trong kiểu vận hành này dịch ban đầu đƣợc acid hóa đến 1-2% acid, sau khi qua generator sẽ đạt đƣợc nồng độ 6%. - Vận hành kép: Dịch lên men sau khi qua generator đƣợc acid hóa một phần và sẽ đƣợc giấm hóa hoàn toàn sau khi đi qua generator lần thứ hai, ba... đặt nối tiếp với generator đầu. - Generator tuần hoàn: Dịch lên men sau khi đi qua generator đƣợc bơm tuần hoàn liên tục qua generator cho đến khi đƣợc giấm hóa hoàn toàn. Trong trƣờng hợp này vì vận hành kép nên dịch lên men ban đầu có thể không cần acid hóa hoặc có thể acid hóa tới 1% acid. Các generator tuần hoàn đƣợc sử dụng rộng rãi do nó có những ƣu điểm sau: - Hoạt động với giá thành thấp - Tƣơng đối đơn giản, dễ khống chế, điều khiển - Tiết kiệm nhiều không gian, trang thiết bị (để sản xuất cùng một lƣợng acid acetic, trong cùng một khoảng thời gian cần ít đệm hơn) Điều kiện cần thiết của phƣơng pháp này là duy trì nhiệt độ trong buồng oxy hóa ở một giới hạn nhất định, đảm bảo cho quá trình tạo acid mạnh nhất (tốt nhất là giữ cho phần trên ở 30°C, phần dƣới ở 33-34°C). Nhờ nhiệt độ này mà không khí bên ngoài không ảnh hƣởng đến sự làm việc của generator, do đó sản xuất không phụ thuộc vào thời tiết. Khi tuần hoàn có thể giữ generator luôn làm việc với nồng độ acid cao, nhƣ vậy một mặt có thể tránh đƣợc sự tạp nhiễm, mặt khác luôn kích thích vi khuẩn phát triển và khi đó tốc độ tạo acid là rất cao, rút ngắn thời gian lên men. 35 Năng suất và hiệu suất của generator Hai chỉ tiêu quan trọng nhất đặc trƣng cho quá trình làm việc của generator là năng suất và hiệu suất: - Năng suất của generator đƣợc xác định bằng lƣợng giấm nhận đƣợc từ 1 m3 vật liệu bám trong thời gian lên men một ngày đêm. - Hiệu suất lý thuyết theo cơ chế phản ứng là 103kg acid acetic từ 100kg rƣợu khan. Nhƣng thực tế ở các thiết bị lên men không có tháp ngƣng tụ chỉ đạt 75 kg acid acetic mà thôi, còn ở các thiết bị có ngƣng tụ thì có thể đạt 93 kg acid acetic (tƣơng ứng với 72,8 và 90,2%) Hiệu suất của quá trình giấm hóa không cao (khoảng 90%) là do nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó các nguyên nhân chính dẫn đến sự tổn thất trên là: - Do oxy hóa không hoàn toàn rƣợu để đảm bảo còn lại trong giấm khoảng 0,2- 0,3% rƣợu nhằm tránh sự quá oxy hóa. - Do quá oxy hóa, đặc biệt khi generator làm việc với nồng độ rƣợu thấp - Do rƣợu và giấm bay hơi, đây là dạng mất mát lớn nhất trong các dạng mất mát có thể mất từ 2-6% lƣợng rƣợu đƣa vào. Nhƣng có thể khắc phục đƣợc bằng cách đặt một thiết bị ngƣng tụ bao gồm hai thiết bị lọc khan đặt kế tiếp nhau sau tháp lên men để ngƣng tụ rƣợu, acid acetic và một số khí khác (có thể dùng than hoạt tính hoặc silicagel để nạp cho tháp lọc. 36 2.5 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ LÊN MEN ACID ACETIC Ảnh hƣởng của oxy (sự thoáng khí) Theo cơ chế phản ứng, giấm hóa là phản ứng dehydro hóa. Trong đó, oxy đóng vai trò là chất nhận hydro nên đòi hỏi phải có một lƣợng oxy cung cấp liên tục trong suốt quá trình lên men. Do đó, vai trò của oxy là rất lớn trong việc quyết định hiệu suất của quá trình lên men. Từ phƣơng trình tổng quát (1.1), theo tính toán lý thuyết thì để oxy hóa hết một mol rƣợu thì cần có một mol oxy tự do, tức là oxy hóa hết 1kg rƣợu khan thì cần 2,3 m3 không khí (trong đó O2 chiếm 20,9%). Do đó, trong sản xuất giấm điều kiện thoáng khí càng tốt thì quá trình lên men càng mạnh cho hiệu quả lên men và năng suất cao hơn. Ảnh hƣởng của nhiệt độ Nhiệt độ của môi trƣờng có ảnh hƣởng rất lớn đến hoạt động sinh lý của vi sinh vật, do đó nó sẽ ảnh hƣởng đến quá trình lên men. Nhiệt độ thích hợp để vi khuẩn acetic sinh trƣởng và phát triển mạnh đối với mỗi loài khác nhau là khác nhau. Nhìn chung, khoảng nhiệt độ để vi khuẩn acetic tồn tại và phát triển là khá rộng từ 15-34°C. Nếu nhiệt độ quá thấp thì tốc độ lên men sẽ chậm, ngƣợc lại khi nhiệt độ quá cao sẽ làm tăng tổn thất do bay hơi rƣợu và acid acetic. Do đó, nhiệt độ thích hợp cho quá trình sản xuất là khoảng 30°C. Nồng độ acid và nồng độ rƣợu - Nồng độ acid: Thông thƣờng môi trƣờng acid (pH = 3) là điều kiện thuận lợi đối với sự phát triển của vi khuẩn acetic. Nhƣng acid acetic tích tụ trong môi trƣờng lên men đến một nồng độ nào đó sẽ gây tác động ngịch đến quá trình lên men. Nồng độ acid acetic cao sẽ ức chế hoạt động sinh lý của chính vi khuẩn. Khi trong dung dịch có khoảng 8% acid acetic thì hoạt động của vi khuẩn trở nên ngày càng giảm và ngừng hoạt động khi hàm lƣợng đạt 12-14%. Ở nồng độ này nếu tiếp tục cho lên men thì vi khuẩn sẽ sử dụng chính acid acetic tạo thành để làm cơ chất phản ứng, dẫn đến việc làm giảm nồng độ acid trong dịch lên men. Do đó, phải thu sản phẩm khi đạt đƣợc nồng độ acid này và phải thanh trùng ngay để ức chế quá trình lên men. Trong sản xuất acid acetic, thƣờng ngƣời ta cho vào cơ chất ban đầu một lƣợng acid acetic nhất định để acid hoá môi trƣờng nhằm thỏa mãn : 37 - Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật có hại và không có lợi, vì môi trƣờng acid là một chất độc đối với nhiều vi sinh vật. - Cho vào dung dịch lên men một lƣợng vi khuẩn cần thiết để bổ sung lƣợng giấm. Lƣợng giấm đƣa vào là tùy theo yêu cầu của phƣơng pháp sản xuất. Khi sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh, cần đƣa vào dung dịch lên men một lƣợng acid acetic sao cho thõa mãn hai mục đích trên, đồng thời phải có nồng độ nhỏ hơn ngƣỡng có tác dụng ức chế cho chính bản thân vi khuẩn (ở nồng độ 8% acid acetic thì vi khuẩn hoạt động rất kém). Vì vậy, hàm lƣợng acid acetic có thể dao động trong giới hạn từ 1-7% (tính theo khối lƣợng). - Nồng độ rƣợu: Tùy từng loài vi khuẩn mà chúng có khả năng tồn tại và sử dụng nồng độ cồn từ 6-14%. Nếu trong dịch hết rƣợu thì vi khuẩn tiếp tục oxy hóa acid acetic (sự quá oxy hóa) để tiếp tục tạo năng lƣợng cung cấp cho quá trình sống. Đây là quá trình có hại nên trong sản xuất thƣờng khống chế lƣợng rƣợu không cho dƣới khoảng 0,2-0,3%. Các chất gây độc hại và các kim loại nặng Các chất gây độc hại và ức chế quá trình sinh trƣởng của vi sinh vật nhƣ tinh dầu lignin, tanin (có trong gỗ làm vỏ thùng lên men)... và một số các hợp chất khác khi có mặt trong môi trƣờng lên men với nồng độ vƣợt quá ngƣỡng giới hạn cho phép đều có tác dụng gây độc hại cho vi sinh vật. Các kim loại nặng: khi dịch lên men có sự hiện diện của 5 kim loại Pb, Cu, Fe, Zn, Sn sẽ làm giảm hiệu suất lên men, ngƣỡng độc hại của 5 kim loại trên lần lƣợt là 10, 15, 50, 100, và >100ppm. Các chất dinh dƣỡng Trong cơ thể vi sinh vật có khoảng 40 hợp chất khoáng khác nhau, ở dạng tự do hay liên kết hữu cơ cao phân tử. Tổng hàm lƣợng khoáng trong vi sinh vật chiếm khoảng 5-8% trọng lƣợng chất khô. Để cho vi khuẩn giấm phát triển tốt, khi sản xuất giấm ngoài các chất: nƣớc, acid, rƣợu thì cần đƣa vào môi trƣờng lên men các muối hòa tan có chứa các nguyên tố khoáng cần thiết. Nếu sản xuất acid acetic từ rƣợu vang, bia, nƣớc quả ép... thì trong dịch lên men đã có đầy đủ các nguyên tố khoáng đa lƣợng và vi lƣợng cần thiết, không cần bổ sung thêm. Nếu sản xuất acid acetic từ cồn pha loãng thì cần bổ sung các nguyên tố khoáng nhờ các muối vô cơ dễ tan. 38 Mỗi cơ sở sản xuất giấm đƣa ra hàm lƣợng các chất dinh dƣỡng khác nhau vào các môi trƣờng khác nhau : - Môi trƣờng dinh dƣỡng cho một lít rƣợu khan : Glucose 7g; Diphophat amon 1,25g; Diphophat kali 0,5g; Sunfat magie 0,2g. - Môi trƣờng dinh dƣỡng cho 100 lít rƣợu khan : Glucose 500g; Sunfua phophat 25g; Sunfat amon 25g; Cacbonat kali 0,9g. Nguyên tố vi lƣợng có sẵn trong nƣớc pha dịch lên men nên không cần bổ sung. Chất lƣợng nƣớc pha dung dịch Chất lƣợng nƣớc pha loãng có ảnh hƣởng đáng kể đến quá trình lên men giấm, yếu tố quan trọng nhất của nƣớc pha loãng là độ sạch sinh học cao (phải vô trùng) và hàm lƣợng Chlo thấp. Nhìn chung nƣớc pha loãng tốt là nƣớc có độ sạch sinh học cao, hàm lƣợng Chlo, các kim loại nặng và các chất rắn thấp, có đủ các nguyên tố vi lƣợng. Ảnh hƣởng của một số thông số đến quá trình lên men acid acetic - Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng lỏng: Khi tăng lƣu lƣợng lỏng thì độ tích lũy sản phẩm tăng dần và đi qua điểm cực đại theo dạng đƣờng cong. Độ tích lũy tăng là do độ thấm ƣớt màng vi khuẩn tăng khi lƣu lƣợng lỏng tăng. Nhƣng khi lƣu lƣợng lỏng vƣợt giới hạn sẽ làm tăng bề dày màng bám quá mức (tăng trở lực khuếch tán khí oxy) và độ thấm ƣớt vƣợt ngƣỡng làm cho tốc độ chuyển hóa giảm kéo theo độ tích lũy giảm. - Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng khí: Khi tăng lƣu lƣợng khí từ thấp đến cao thì độ tích lũy acid acetic cũng tăng theo. Nguyên nhân là do khi tăng lƣu lƣợng khí đạt giá trị đủ lớn sẽ làm xáo trộn lớp lỏng quanh màng vi khuẩn, làm tăng khả năng khuếch tán rƣợu và oxy. Do đó làm tăng độ chuyển hóa dẫn đến tăng độ tích lũy. Khi lƣu lƣợng khí đạt giá trị quá lớn sẽ làm tổn thƣơng màng vi khuẩn, gây tiêu hao màng làm giảm độ tích lũy. - Ảnh hƣởng của chiều cao tháp: Theo chiều cao tháp tăng dần từ trên xuống nhận thấy độ tích lũy sản phẩm tăng nhanh ở các vị trí cuối tháp. Nguyên nhân là do càng về cuối tháp dòng lỏng sẽ đƣợc tích lũy càng nhiều khi gặp dòng khí từ dƣới lên gây ra sự xáo trộn dòng. Kết quả của quá trình này tạo nên sự tiếp xúc pha càng lớn dẫn đến độ chuyển hóa càng cao và độ tích lũy sản phẩm sẽ tăng nhanh. 39 2.6 CHỦNG VI KHUẨN ACID ACETIC Hiện nay, trên thế giới đã tìm ra trên 20 loại vi khuẩn acetic - gọi chung là Acetobacter là một loại trực khuẩn khá lớn thuộc loại hiếu khí bắt buộc, nhiệt độ thích hợp cho chúng phát triển từ 30-40 °C. Vi khuẩn acetic thuộc hai loại giống Acetobacter (chu mao) và Acetomonas (có tiêm mao ở một đầu). Nhiều loài khi phát triển lâu trên môi trƣờng dễ dàng sinh ra những dạng có hình thái đặc biệt (tế bào phình to hay kéo dài, có thể phân nhánh). Vi khuẩn Acetobacter phân bố rộng trong tự nhiên nhất là trên thực phẩm, hoa quả, không khí, nhiều trƣờng hợp có thể phát triển đồng thời với nấm men trên cơ chất thực vật có nhiều đƣờng. Việc nghiên cứu các loài vi khuẩn này do Pasteur thực hiện năm 1862 khi ông dùng kính hiển vi quan sát màng mỏng xuất hiện trên rƣợu vang chua. Một số chủng vi khuẩn Acetobacter điển hình: - Acetobacter aceti: là một loại trực khuẩn ngắn, xếp thành chuỗi, không di động, nhuộm vàng với dung dịch iod, có khả năng phát triển ở nồng độ rƣợu khá cao (11%) và tích lũy đƣợc khoảng 6% acid acetic , phát triển thích hợp ở nhiệt độ 34°C. - Acetobacter pasteurianum : tế bào hình que có khi xếp liên tiếp thành hình sợi dài, tạo thành lớp váng khô nhăn nheo, nhuộm màu xanh với iod. Khả năng chịu nồng độ cồn của chúng thấp hơn của Acetobacter aceti. Trong điều kiện môi trƣờng phát triển thuận lợi, chúng có khả năng tạo đƣợc từ 5-6% acid acetic. - Acetobacter oleaneuse: hình thái của vi khuẩn này giống hai vi khuẩn trên nhƣng kích thƣớc nhỏ hơn nhiều, đặc biệt hai đầu của tế bào thƣờng nhỏ lại. Trong dịch nuôi cấy chúng thƣờng tạo ra một váng rất mỏng trên bề mặt. Váng vi khuẩn thƣờng rất chắc, khi nhuộm với iod tế bào sẽ chuyển sang màu vàng. Vi khuẩn này chịu đƣợc lƣợng cồn tới 12% và trong điều kiện lên men thích hợp có thể tạo đƣợc 9,5% acid. - Acetobacter xylinum: tế bào hình que, không di động, thƣờng tạo váng rất dày trên bề mặt (váng chứa khá nhiều hemicellulose), thƣờng cho màu xanh khi nhuộm với iod và acid sunfuric. Vi khuẩn này khi phát triển trong môi trƣờng thuận lợi có thể tạo ra 4,5% acid acetic. Ở nhiều nƣớc nhƣ Trung Quốc, Triều Tiên và Nhật Bản ngƣời ta thƣờng sử dụng vi khuẩn này cùng với nấm men để sản xuất ra một loại nƣớc uống rất đặc biệt. 40 - Acetobacter Schuitzenbachii: vi khuẩn hình que, kích thƣớc khá dài, không tạo bào tử, không có khả năng chuyển động và thuộc vi khuẩn gram (-). Khi phát triển ở môi trƣờng lỏng tạo ra lớp màng dày nhƣng không chắc, thƣờng để sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp chìm. Trong điều kiện thuận lợi có khả năng tạo đƣợc 11-12% acid acetic. - Acetobacter curvum: về cơ bản vi khuẩn giống Acetobacter Schuitzenbachii. Trong môi trƣờng lên men thuận lợi có thể tạo đƣợc 10-11% acid acetic nhƣng lại tạo váng rất chắc trên bề mặt môi trƣờng. Nhiệt độ lên men tối ƣu là 35-37°C. - Acetobacter suboxydans: đƣợc sử dụng nhiều trong công nghệ sản xuất vitamin C. Chúng có khả năng chịu đƣợc nồng độ cồn rất cao. Nếu trong môi trƣờng, ta cho thêm một lƣợng nhỏ các chất dinh dƣỡng cần thiết, ví dụ nhƣ glucose, vi khuẩn này có thể chuyển hóa hoàn toàn cồn thành acid acetic. Lƣợng acid acetic tạo đƣợc từ quá trình lên men có thể lên đến 13%. Nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn này tiến hành lên men là 28-30 °C. Thời gian lên men xảy ra rất nhanh, chỉ cần 48 giờ là lƣợng acid acetic đã đạt tới 13%. Trong quá trình lên men phải thông khí liên tục vì vi khuẩn này cần lƣợng oxy rất nhiều cho quá trình chuyển hóa cồn thành acid acetic và cho quá trình phát triển. Đối với những phƣơng pháp sản xuất khác nhau cần phải chọn những loại vi khuẩn có đặc tính thích hợp để quá trình lên men đạt hiệu quả cao nhất, nhƣng nhìn chung chúng phải thõa mãn một số điều kiện sau : - Phải oxy hóa rƣợu tốt nhất và oxy hóa giấm tạo thành ít nhất - Phải tạo ra giấm có chất lƣợng tốt (có mùi thơm, nồng độ acid cao) - Chịu đƣợc độ rƣợu và độ acid cao - Các tính chất ban đầu của chúng phải đƣợc giữ nguyên trong suốt quá trình. - Điều kiện nuôi cấy, phân lập và bảo quản giống đơn giản không tốn kém. Với phƣơng pháp nhanh do cần bám dính cao nên yêu cầu vi khuẩn tạo màng mỏng tơi xốp, tích lũy và chịu đƣợc độ acid cao thì những giống hay dùng nhất là Acetobacter aceti, Acetobacter schuizenbachii... Một số loài vi khuẩn có khả năng gây ra sự “quá oxy hóa” ngay cả khi môi trƣờng lên men còn nồng độ rƣợu khá cao nhƣ Acetobacter xylinum thì cần hết sức loại trừ chúng trong quá trình sản xuất acid acetic. 41 2.7 NGUỒN NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT Theo quá trình lên men cho thấy bất cứ một sản phẩm nào có thể lên men rƣợu đều có thể là nguyên liệu lên men giấm. Nguyên liệu trong sản xuất acid acetic thƣờng là các loại quả có đƣờng, các loại siro chứa đƣờng, sản phẩm thủy phân của các nguyên liệu chứa tinh bột, bia, rƣợu vang hoặc bất cứ sản phẩm nào cũng có thể lên men đƣợc. Trong công nghiệp sản xuất acid acetic thƣờng dùng rƣợu pha loãng để lên men, yêu cầu rƣợu không có lẫn dầu fuzel vì nó có tác dụng ức chế hoạt động của vi sinh vật. Nếu dùng các sản phẩm tinh bột thì phải qua hai khâu trung gian là chuyển hóa tinh bột thành đƣờng nhờ enzyme amilase của nấm mốc, sau đó lên men rƣợu nhờ enzyme dehydroxylase của vi sinh vật, sau đó mới lên men giấm từ rƣợu. Hiện nay thƣờng dùng nƣớc ép trái cây (nho, nƣớc ép quả điều, nƣớc dừa...) để lên men giấm cho sản phẩm có mùi thơm ngon đặc trƣng, mà lại có hiệu quả kinh tế cao vì tận dụng đƣợc sản phẩm thừa của ngành nông nghiệp, công nghiệp (nhƣ nƣớc trái điều ép, mật rỉ...). Nhìn chung nguồn nguyên liệu sản xuất giấm rất đa dạng. 2.8 VẬT LIỆU CHẾ TẠO THIẾT BỊ LÊN MEN ACID ACETIC Do acid acetic có tính ăn mòn kim loại và hợp kim, tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ nồng độ, nhiệt độ, vận tốc chuyển động của acid... cho nên khi chọn vật liệu chế tạo thiết bị cần hết sức thận trọng. Mặt khác, quá trình sản xuất acid acetic có sự tham gia của vi sinh vật nên không đƣợc sử dụng 5 kim loại nặng đã nêu ở trên để làm thân thiết bị sản xuất. Nhƣng vẫn có thể sử dụng những kim loại này để chế tạo thiết bị ở những khâu khác nhƣ thùng bảo quản, thiết bị chƣng cất ... còn các khâu nối với thiết bị lên men thì không nên dùng. Vật liệu chế tạo thiết bị lên men giấm bằng phƣơng pháp sinh hóa tốt nhất là thép hợp kim cao, nhôm, gỗ (gỗ có chứa ít tinh dầu lignin, tanin... và các chất gây hại cho vi khuẩn acetic). Ngày nay thì ngành nhựa đã phát triển mạnh các hợp chất có độ bền khá cao với tính acid nên rất thích hợp làm nguyên liệu chế tạo thiết bị lên men. 42 CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH FERMENTOR SỬ DỤNG MÀNG SINH HỌC CỐ ĐỊNH TRONG LÊN MEN ACID ACETIC 3.1. THIẾT BỊ PHẢN ỨNG SINH HỌC – FERMENTOR 3.1.1 Khái niệm và phân loại Thiết bị phản ứng sinh học (hay gọi là fermentor) là thiết bị thực hiện những biến đổi sinh hóa với sự tham gia của vi sinh vật hay enzyme trực tiếp. Trong công nghiệp vi sinh, dùng nhiều loại fermentor có cấu trúc và phƣơng thức làm việc khác nhau. Chúng đƣợc phân loại nhƣ sau: - Theo phƣơng thức làm việc: fermentor làm việc liên tục hoặc gián đoạn - Theo kết cấu: fermentor có hoặc không có cánh khuấy - Theo chế độ nhiệt: fermentor đẳng, đoạn và đa biến nhiệt - Theo cấu trúc dòng: fermentor khuấy lý tƣởng, đẩy lý tƣởng... - Theo số pha tham gia: đồng thể và dị thể. Các dạng fermentor thƣờng dùng trong lên men sinh học: Fermentor làm việc gián đoạn Trong các fermentor này cơ chất chỉ đƣợc nạp vào từng mẻ và tháo ra khi đã đạt độ chuyển hóa theo yêu cầu (hình 3.1). Tuy năng suất thấp, chất lƣợng sản phẩm không ổn định nhƣng do cấu tạo tƣơng đối đơn giản, dễ thao tác vận hành nên đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vi sinh. Fermentor hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy Cơ chất đƣợc đƣa vào fermentor liên tục, đƣợc khuấy trộn mãnh liệt trong đó và sản phẩm đƣợc lấy ra liên tục. Do sản phẩm ở dạng huyền phù nên khi đƣợc lấy ra liên tục sẽ cuốn vi sinh vật ra khỏi fermentor gây tổn hao chủng vi sinh vật rất lớn. Vì vậy việc sử dụng fermentor dạng này khá hạn chế (hình 3.2). C Cơ chất η Hình 3.1. Fermentor làm việc gián đoạn 43 Các fermentor dạng tầng sôi Loại này khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của loại thùng có cánh khuấy hoạt động liên tục là sự lôi cuốn vi sinh vật, trong fermentor dạng này các phần tử vi sinh vật lơ lững trong môi trƣờng lên men nhờ dòng chảy từ dƣới lên, còn lực trọng trƣờng sẽ giữ cho chúng không bị cuốn khỏi fermentor (hình 3.3). Ở trạng thái tự nhiên, trong cơ thể vi sinh vật có khoảng 80% là nƣớc; 20% chất khô, trong đó chủ yếu là C chiếm 51-53%; kích thƣớc vi sinh vật từ 0,5-5 μm. Do đó, chúng có khối lƣợng riêng xấp xỉ khối lƣợng riêng của nƣớc. Vì vậy, để tạo lớp tầng sôi vận tốc của dòng lỏng vào fermentor phải rất nhỏ. Điều này đôi khi không phù hợp với yêu cầu công nghệ và việc sử dụng các fermentor dạng này cũng gặp hạn chế. Fermentor dạng ống Có dòng chuyển động của các tác nhân phản ứng trong fermentor là chuyển động piston, trái ngƣợc trong fermentor dạng tầng sôi và dạng thùng có cánh khuấy hoạt động liên tục có quỹ đạo chuyển động là ngẫu nhiên (hình 3.4). Cơ chất Cơ chất Cơ chất (01) (01) (02) (02) (03) (03) C t Hình 3.2. Fermentor hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy Sản phẩm Cơ chất Cơ chất C0 C L Hình 3.3. Fermentor tầng sôi Sản phẩm Cơ chất Cơ chất C C0 L Hình 3.4. Fermentor dạng ống 44 3.1.2 Lựa chọn dạng fermentor thích hợp cho quy trình sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp cố định Yêu cầu căn bản của quy trình sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp cố định: - Quá trình lên men là liên tục - Các fermentor phải chứa một thể tích chất mang khá lớn - Phải đảm bảo cung cấp đủ lƣợng không khí cho quá trình lên men - Tránh các tác động mạnh làm tổn thƣơng màng vi sinh vật trên vật liệu bám sẽ làm giảm hiệu suất phản ứng Với những yêu cầu trên thì không thể sử dụng đƣợc các fermentor làm việc gián đoạn do quá trình lên men là liên tục và nó bộc lộ các nhƣợc điểm sau: - Năng suất và hiệu suất thấp - Quá trình lên men không ổn định - Khó áp dụng cơ giới hóa tự động hóa thiết bị Các fermentor hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy và các fermentor dạng tầng sôi cũng không đáp ứng đƣợc. Vi sinh vật tồn tại trong fermentor ở dạng huyền phù lơ lững trong dịch lên men chứ không cố định trên vật liệu bám. Hơn nữa, các fermentor này cần một chế độ sục khí mạnh vào dịch lên men mới cung cấp đủ lƣợng oxy cho phản ứng mà với điều kiện kỹ thuật công nghệ của nƣớc ta hiện nay chƣa thể đáp ứng đƣợc. Đối với fermentor dạng ống với dòng chảy piston đã đáp ứng các yêu cầu quy trình sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp cố định. Với dạng này ta có thể sắp xếp vật liệu bám đầy vào trong fermentor và cấy màng vi khuẩn lên đó. Dịch lên men đƣợc tƣới liên tục từ đỉnh tháp theo lực trọng trƣờng thấm ƣớt qua phần đệm chứa vi khuẩn. Tại đó phản ứng sẽ xảy ra, cơ chất chuyển hóa hoàn toàn thành sản phẩm và đƣợc thu nhận ở đáy tháp. Fermentor đƣợc thông khí tự nhiên do sự chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài (nhiệt độ bên trong cao hơn nhiệt độ phản ứng tỏa ra) tạo nên sự chênh lệch áp suất giúp không khí đi qua phần thể tích trống giữa vật liệu bám. Việc thông khí tự nhiên nhƣ vậy sẽ không làm tổn thƣơng màng vi khuẩn bám trên đệm. Nhƣ vậy, fermentor dạng ống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đã nêu trên nên đây là dạng fermentor thích hợp để sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp cố định. 45 3.2 NHỮNG YÊU CẦU VÀ TRÌNH TỰ THIẾT KẾ MỘT FERMENTOR 3.2.1 Những yêu cầu chung đối với fermentor Đây là cơ sở để lựa chọn cấu trúc thích hợp khi thiết kế fermentor, đối với fermentor nói chung cần thõa mãn một số yêu cầu sau: - Yêu cầu nghiêm ngặt về độ sạch và tính bất biến của chủng vi sinh vật. Yêu cầu này đòi hỏi phải tiến hành quá trình trong những điều kiện vô trùng và đƣợc kiểm soát chặt chẽ. Do đó, fermentor phải có cấu trúc tƣơng đối đơn giản, đảm bảo khả năng thanh trùng các khoang bên trong - Dễ bố trí các thiết bị trao đổi nhiệt để khống chế nhiệt tối ƣu khi lên men - Dễ chế tạo gia công an toàn và hiệu quả cao Trong các yêu cầu trên, yêu cầu đầu tiên là quyết định việc lựa chọn cấu trúc của fermentor sao cho hợp lý, đó là do tính đặt thù của quá trình vi sinh công nghiệp có vi sinh vật tham gia vào quá trình. 3.2.2 Trình tự nghiên cứu một fermentor Để thiết kế một fermentor mới nhằm thực hiện một số biến đổi sinh hóa theo yêu cầu nào đó, trƣớc hết cần nghiên cứu hệ vi sinh theo trình tự sau: Nghiên cứu động học vi mô: Ở giai đoạn này cần xác định các đặt trƣng sinh hóa, hóa lý... của quá trình ở mức độ vi mô. Nhiệm vụ cơ bản của giai đoạn này là: lựa chọn phƣơng pháp nuôi cấy hiệu quả, tối ƣu hóa môi trƣờng và nghiên cứu động học vi sinh Nhiệm vụ này chỉ thực hiện nhanh nhất khi ứng dụng các kỹ thuật tính toán hiện đại, nhờ kết quả khảo sát nhanh cơ chế xảy ra trong quá trình sinh tổng hợp, đánh giá các hằng số động học và lựa chọn thành phần tối ƣu của môi trƣờng dinh dƣỡng. Nghiên cứu động học vĩ mô: Nhiệm vụ cơ bản của giai đoạn này là nghiên cứu mô hình toán học của quá trình ở điều kiện gần với điều kiện công nghiệp và xác định các đặc trƣng cơ bản nhằm xác định các điều kiện tối ƣu cho thiết bị. Đó là: - Lựa chọn kết cấu thích hợp cho fermentor - Tính toán các kích thƣớc cơ bản trong thiết bị (đƣờng kính, chiều cao, kích thƣớc các cửa, ống...) 46 Giai đoạn này cần đƣợc kiểm tra bằng thực nghiệm để rút ra những kết luận cuối cùng áp dụng cho thiết bị công nghiệp nhằm tối ƣu hóa nó. Tổng hợp hệ công nghệ vi sinh: Cần lựa chọn những cấu trúc thích hợp liên hệ giữa các phần tử của hệ và thực hiện kế hoạch kiểm tra sự hoạt động của thiết bị trong điều kiện sản xuất công nghiệp. Nhìn chung, tổng hợp hệ công nghệ vi sinh là một việc làm rất khó thực hiện bởi quá trình rất phức tạp, nhiều khi không thể đơn giản hóa đƣợc để tiến hành trên máy tính. Xây dựng các mô hình toán học cho fermentor: Đây là một việc làm rất phức tạp, hiện nay chƣa thể giải quyết nhiệm vụ này một cách đầy đủ, bởi vì nhiều quá trình không thể miêu tả đầy đủ và vững chắc các quá trình xảy ra trong đó. Những bƣớc cụ thể để tiến hành thiết kế một fermentor: - Lựa chọn chủng vi sinh vật thích hợp, chủng nào ở mức độ đáng kể quyết định pha phát triển (sự tạo thành sản phẩm, vùng pH và nhiệt độ làm việc, sự thông khí và cung cấp khả năng dự đoán các ảnh hƣởng có thể có của khả năng nhiễm khuẩn). - Lựa chọn cấu trúc thích hợp trong số các cấu trúc có thể có (dạng ống, dạng thùng có cánh khuấy, dạng tầng sôi...) - Xác định kích thƣớc đặc trƣng của fermentor (thể tích, đƣờng kính...); xác định các thông số làm việc (nồng độ các cấu tử, nhiệt độ, độ pH...); thời gian tiến hành quá trình (nếu là quá trình gián đoạn) - Lựa chọn bề mặt truyền nhiệt, dạng và kích thƣớc khuấy trộn - Xác định mức độ thông khí và công suất cần thiết - Giải quyết các vấn đề vật liệu, xây dựng kết cấu để duy trì điều kiện vô khuẩn cho quá trình - Lựa chọn các công cụ đo và kiểm tra, khống chế và điều khiển quá trình - Giải quyết cấu trúc và các thành phần để đảm bảo sự vận hành an toàn 47 3.3 CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA HỆ VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN ACID ACETIC 3.3.1 Sự hình thành và phát triển của màng sinh học trên chất mang trong fermentor sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic Trạng thái vi khuẩn acid acetic trong fermentor Trong fermentor sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic, các vi khuẩn giấm tham gia vào quá trình biến đổi sinh hóa có dạng màng bám trên bề mặt các vật rắn trơ. Trong các thiết bị dạng ống màng sinh học bám trên bề mặt các vật rắn trơ có thể tồn tại hai trạng thái: cố định (tĩnh) hay linh động (các vật rắn trơ có màng sinh học bao phủ lơ lững trong môi trƣờng lên men). Cấu tạo màng vi khuẩn acid acetic Màng vi khuẩn giấm đƣợc tạo thành nhờ các biến đổi sinh hóa diễn ra trong các thiết bị và bám đƣợc vào vật chất là nhờ khả năng bám dính của màng nhày (khối gel giữa các tế bào, hình 3.5) của vi khuẩn. Môi trƣờng trong giai đoạn cấy giống chứa các tế bào vi khuẩn giấm lơ lững, các tế bào này sẽ bám vào bề mặt nhám của vật liệu bám (do độ nhám, độ xốp). Sau một thời gian nhất định sẽ trở nên hoạt động sinh học. Sự phát triển của màng vi khuẩn acid acetic Sự tạo thành màng vi khuẩn sẽ kèm theo sự hoạt động của thiết bị. Mức độ hoạt động sẽ phụ thuộc vào diện tích bề mặt che phủ, bề dày màng và nồng độ rƣợu. Sự phát triển của màng vi khuẩn giấm, khi giữ nguyên các thông số đầu vào làm cho sự biến đổi nồng độ acid thu đƣợc phụ thuộc vào thời gian (phụ thuộc vào vận tốc phản ứng và bề dày màng). Nếu sau một thời gian tích lũy nhất định bề dày màng không thay đổi nữa thì ta có thể coi các thông số đầu ra đạt đƣợc trạng thái ổn định. Điều này có thể đạt đƣợc khi tải trọng của vi khuẩn giấm đối với không gian tự do trên một đơn vị thể tích đệm là nhỏ. Khi đó dạng hình học của màng thay đổi không đáng kể. Hình 3.5. Biểu diễn màng sinh học bám trên vật rắn trơ 01. Bề mặt bám 02. Khối gel giữa các tế bào 03. Tế bào của vi sinh vật 01 02 03 48 Trong thực tế, tùy theo cách nuôi màng, nồng độ các sản phẩm dạng khí khi hô hấp trong chiều sâu nhỏ của màng tăng đến mức các sản phẩm này thoát ra từ dung dịch và tạo thành những túi khí. Khí này sẽ làm cho sự bám dính giữa khối màng và bề mặt bám sẽ kém đi, cuối cùng màng sẽ rơi ra khỏi bề mặt bám dƣới tác dụng của trọng lực và còn lại một lớp vi khuẩn giấm đã bị yếu đi nhiều. Sau đó lớp màng lại bắt đầu tăng, tuy nhiên không thể nào tạo bề dày màng nhƣ ban đầu vì lực bám dính giữa màng và bề mặt bám đã bị yếu do các vi khuẩn chết trong màng. Do đó hình dạng hình học của màng biến đổi liên tục dƣới tác động của quá trình phát triển vi sinh vật và sự thoát đi một phần vi khuẩn ra khỏi bề mặt bám dƣới tác dụng của lực trọng trƣờng, kết quả là đƣờng đi của dòng lỏng và bề mặt tiếp xúc pha rắn lỏng biến đổi. Về nguyên tắc trong môi trƣờng có nồng độ rƣợu đủ cao, màng vi khuẩn sẽ phát triển không ngừng. Nếu tốc độ tăng của bề dày màng không lớn lắm thì ở một thời điểm bất kỳ sẽ đƣợc xem gần giống nhƣ trong lớp vi sinh vật có bề dày không đổi. Khi đó, có thể miêu tả cặn kẽ sự biến đổi bề dày màng và quá trình làm việc của thiết bị nhờ phƣơng trình vận tốc sinh học. Các thiết bị có bề dày màng không đổi (có thể khống chế đƣợc) đƣợc sử dụng làm thiết bị thực nghiệm để nghiên cứu động học vi sinh. Các thiết bị có bề dày màng thay đổi đƣợc dùng trong xử lý nƣớc thải và sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh. Trong các thiết bị dạng không khống chế đƣợc bề dày màng, quần thể vi sinh vật lộn xộn ở mức độ cao và ở những thời điểm khác nhau là khác nhau, chất lỏng chảy qua thiết bị ở dạng màng dƣới tác dụng của lực trọng trƣờng. Thông thƣờng diện tích màng lỏng thấm ƣớt nhỏ hơn nhiều so với diện tích hoạt động sinh học có thể đạt cực đại. Sự phát triển của vi khuẩn acid acetic chỉ diễn ra ở những vùng có đủ chất dinh dƣỡng. Sự phát triển của màng ngay trong những vùng này chỉ đƣợc tạo ra do sự chuyển động của lỏng. Do đó, trong thiết bị dạng này có quan hệ tƣơng hỗ phức tạp giữa động học vi sinh, bề dày màng sinh học và bề dày đƣợc thấm ƣớt. 49 3.3.2 Quá trình khuếch tán các chất trong thiết bị lên men acid acetic dạng màng sinh học cố định. Khái niệm Mọi phản ứng sinh hóa đều là phản ứng dị thể vì chúng diễn ra tối thiểu có sự tham gia của pha rắn là vi khuẩn acid acetic, pha lỏng là nƣớc và các chất dinh dƣỡng, trong quá trình còn có pha khí là O2 cung cấp và CO2 (sản phẩm chuyển hóa của vi sinh vật). Vì vậy, ngoài ảnh hƣởng của nhiệt độ, độ pH, nồng độ... tới vận tốc phản ứng thì quá trình chuyển khối cũng có vai trò đặc biệt, nó ảnh hƣởng trực tiếp tới sự phát sinh và phát triển của vi sinh vật. Trong quá trình lên men hiếu khí, ngoài sự vận chuyển các cơ chất hòa tan tốt nhƣ glucose, ethanol, ... còn có sự vận chuyển các chất ít tan nhƣ O2, CO2, ... Để phản ứng lên men hiếu khí xảy ra, ngoài cơ chất thì oxy cũng cần đƣợc khuếch tán từ pha khí qua pha lỏng rồi tiếp tục khuếch tán vào trong tế bào. Ở đó mới xảy ra các phản ứng sinh hóa dƣới tác dụng xúc tác của enzyme để tạo thành sản phẩm trao đổi chất. Sản phẩm trao đổi chất lại đƣợc khuếch tán ngƣợc trở lại ra môi trƣờng xung quanh. Qua đó, cho thấy nghiên cứu hệ sinh hóa ngoài đặc điểm sinh học của quá trình cũng cần khảo sát kỹ sự vận chuyển các chất trong các pha tham gia vào quá trình. Cơ chế của quá trình khuếch tán Quá trình vận chuyển oxy và cơ chất (rƣợu) đến tế bào vi sinh vật trong quá trình lên men hiếu khí diễn ra trong các fermentor dạng ống có màng vi sinh vật bám trên các đệm trơ bao gồm một số giai đoạn chính sau đây: a. Oxy hấp thụ vào pha lỏng b. Các chất dinh dƣỡng di chuyển từ pha lỏng tới màng vi sinh vật c. Các chất dinh dƣỡng đƣợc hấp thụ vào lớp gel giữa các tế bào và di chuyển qua nó tới vùng phản ứng trong các tế bào vi sinh vật d. Sản phẩm của phản ứng di chuyển từ vùng phản ứng ra môi trƣờng e. Quá trình khuếch tán sản phẩm trong môi trƣờng lỏng. Thực ra, quá trình vận chuyển oxy và rƣợu còn nhiều giai đoạn nhỏ nữa và trên đƣờng khuếch tán chúng gặp phải một số trở lực bởi những lớp biên lân cận bề mặt phân chia pha. Những lớp biên này có bề dày từ vài μm đến vài mm và nó phụ thuộc vào mức độ khuấy trộn, chế độ thủy động lực của pha lỏng. Các trở lực đó đƣợc biểu diễn trên hình 3.7. 50 Do trở lực có tính chất cộng nên ta có thể viết nhƣ sau: R = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6... R1 - Trở lực màng khí tạo ra bởi màng khí ở bề mặt phân chia hai pha khí lỏng R2 - Trở lực do bề mặt phân chia pha khí lỏng R3 - Trở lực của màng chất lỏng cạnh bề mặt phân chia hai pha khí lỏng R4 - Trở lực do chất lỏng gây ra R5 - Trở lực của màng chất lỏng bao quanh vi sinh vật R6 - Trở lực bên trong tế bào phụ thuộc đặc điểm sinh trƣởng của vi sinh vật Ngoài ra, cũng cần thêm vào tổng này những trở lực phụ nhƣ trở lực do vón cục tế bào hay khuẩn ty, những trở lực hóa học do những phản ứng ezyme bên trong vi sinh vật. Qua đó, cho thấy trở lực R3 có tác dụng làm giảm tốc độ khuếch tán giữa các bọt khí và chất lỏng là quan trọng và lớn nhất. a d +e b c lớp gel lỏng Hình 3.6. Mô tả quá trình vận chuyển oxy và cơ chất trong lên men hiếu khí khí Bề mặt phân chia pha R1 R5 R6 R4 R3 R2 01 02 Hình 3.7. Mô tả trở lực khuếch tán của oxy và trở lực của khuẩn ty Φk ΦL 51 Quá trình vận chuyển oxy từ pha khí đến màng vi sinh vật Việc vận chuyển O2 từ pha khí qua pha lỏng đến các tế bào cũng đóng vai tró khá quan trọng. Vì O2 vừa là cơ chất vừa là nguồn cung cấp năng lƣợng cho vi sinh vật hoạt động. Tốc độ quá trình lên men và hiệu suất của fermentor trực tiếp phụ thuộc vào sự vận chuyển oxy đến tế bào vi sinh vật. Cơ chế quá trình vận chuyển O2 từ pha khí đến các tế bào vi sinh vật trong lớp gel bám trên đệm trơ trong các fermentor dạng ống là rất phức tạp, những giai đoạn cơ bản của quá trình đó nhƣ sau (hình 3.8). - Oxy đƣợc hấp thụ vào pha lỏng: oxy từ pha khí vận chuyển qua màng khí đến bề mặt phân chia pha khí lỏng. Sau đó, oxy đƣợc vận chuyển qua bề mặt phân chia pha rồi qua màng lỏng vào pha lỏng (xem hình 3.8). - Oxy đƣợc khuếch tán trong pha lỏng - Oxy hấp thụ vào lớp gel giữa các tế bào và di chuyển tới vùng phản ứng Các giai đoạn trên xảy ra nối tiếp nhau và mỗi giai đoạn sẽ gặp phải các trở lực tƣơng ứng cho nên giai đoạn nào chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của quá trình. Vì vậy, đối với lên men hiếu khí thì quá trình vận chuyển các chất đƣợc rút gọn về nghiên cứu quá trình vận chuyển oxy đến tế bào mà chủ yếu là vận chuyển trong pha lỏng. oxy oxy tế bào vi sinh vật oxy Pha lỏng Bề mặt phân chia pha khí - lỏng Bể mặt phân chia pha lỏng sinh khối Màng lỏng bao quanh sinh khối Bề mặt vật liệu bám Hình 3.8. Quá trình khuếch tán oxy đến màng vi khuẩn acid acetic trong fermentor 52 3.3.3 Mô hình động học sự phát triển của vi khuẩn trong màng sinh học Mô hình động học đối với một vi khuẩn acid acetic đơn lẻ Các vi khuẩn dù có kích thƣớc và hình dạng khác nhau nhƣng có cùng cấu tạo là những tế bào sống. Cấu trúc tế bào và chiều hƣớng của các phản ứng sinh hóa xảy ra trong nó là quá phức tạp nên khó có thể đƣa ra những phân tích chi tiết cho các phản ứng này đƣợc. Để đơn giản hóa cho cấu trúc vật lý phức tạp này cần chấp nhận rằng: xem các vi sinh vật là tập hợp các nguyên tố (mà ở đó cơ chất đƣợc tiêu thụ do quá trình trao đổi chất) và những thành phần giới hạn của chúng mà cơ chất chuyển đến từ đó. Tế bào vi sinh vật theo chu vi lớp màng nhày (kể cả thành tế bào và màng nguyên sinh chất) đảm bảo tính chọn lọc của vi sinh vật và khống chế sự ra vào của cơ chất. Sự chuyển động của các phân tử trong các lớp bề mặt đƣợc coi nhƣ là quá trình khuếch tán phân tử thông thƣờng và đƣợc miêu tả bằng định luật Fick: RF = D(dC/dr) (3.1) Trong đó: RF - vận tốc vận chuyển theo một đơn vị bề mặt thành phần tế bào tham gia vào vận chuyển chất; D - hệ số khuếch tán của cơ chất đƣợc vận chuyển; dC/dr – gradien nồng độ. Diễn biến của các phản ứng riêng biệt, bao gồm các quá trình trao đổi chất đƣợc khống chế bởi các enzyme khác nhau và thƣờng tuân theo phƣơng trình Mekhaelis – Menten: r = r MAX (3.2) [S] Km + [S] a b 1 2 3 rm rm Rr C C * Rr rp Hình 3.9. Mô tả một vi sinh vật đơn lẻ a. Có thấm; b. Không có sự vận chuyển nhờ thấm; 1. Vùng trao đổi chất; 2. Vùng khuếch tán; 3. Vùng thấm 53 Mô hình sinh hóa-vật lý cuối cùng của vi sinh vật đƣợc thấy rõ ở dạng tế bào bao gồm vùng bên trong mà ở đó xảy ra quá trình trao đổi chất và vùng vận chuyển bên ngoài (hình 3.12). Sự thấm của cơ chất qua vùng ngoài tuân theo định luật Fich (3.1), còn quá trình trao đổi chất bên trong tuân theo phƣơng trình Mekhaelis-Menten (3.2). Ở trạng thái ổn định, dòng cơ chất qua vùng vận chuyển bằng vận tốc tiêu thụ nó trong quá trình trao đổi chất, có nghĩa là: (3.3) Quá trình vận chuyển do sự dịch chuyển là đặc thù đối với những cơ chất có phân tử lớn, đặc biệt đối với nguồn cacbon, còn các phân tử nhỏ hơn ví dụ nhƣ CO2 vận chuyển hoàn toàn do khuếch tán phân tử. Vì vậy, một số cơ chất tùy theo đặc điểm của chúng mà quá trình vận chuyển đƣợc đƣa về khuếch tán đơn giản với giai đoạn nối tiếp là trao đổi chất (hình 3.10b). Thực tế hai hình 3.10a và 3.10b là đặc trƣng cho một vài quá trình có đồng thời cả hai cơ chất khác nhau. Mô hình động học đối với sinh khối Trong công nghiệp vi sinh, vi sinh vật đƣợc sử dụng ở hai dạng hạt keo tụ sinh học hoặc màng sinh học, có kích thƣớc lớn hơn rất nhiều so với một tế bào vi sinh vật đơn lẻ. Đó là bản chất gel của vi sinh vật và do tác động bên ngoài của dòng lỏng đến vi sinh vật là tƣơng đối nhỏ. Mô hình cấu trúc dạng hạt keo tụ và màng sinh học đã giả thuyết rằng các vi sinh vật phân bố đều trong lớp gel giữa các tế bào. Phần thể tích lớp gel đƣợc đánh giá theo chế phẩm ly tâm giao động trong khoảng 23-39%. Việc so sánh sơ đồ vật lý của sinh khối với sơ đồ quả cầu rắn bao trong cấu trúc xốp (hình 3.10) có giá trị tự do tƣơng đƣơng nhau là rất có ý nghĩa. d[S] dr [S] Km + [S] -D = rMAX (a) (b) 01 02 03 Hình 3.10. Mô hình sinh khối a. Màng sinh học; b. Hạt keo tụ 1. Bề mặt bám; 2. Vi sinh vật 3. Lớp gel giữa các vi sinh vật 54 Mô hình vật lý sinh khối ở một mức độ đáng kể tƣơng tự nhƣ cấu trúc vật lý của các hạt có cấu trúc xốp. Cả hai hệ đều có một bộ nhánh rẽ liên kết các rãnh với nhau và các tác nhân phải khuếch tán theo các rãnh đó đến các “bề mặt hoạt động”. Để miêu tả toán học vấn đề này cần chấp nhận một số giả thuyết thuộc về các đặc trƣng sinh khối nhƣ sau: - Trạng thái ổn định, về ý nghĩa sinh học thể hiện ở thành phần sinh khối nói chung không thay đổi theo thời gian dù vẫn diễn ra sự phát triển của tế bào đơn lẻ. - Tế bào là tổ chức có chức năng không thay đổi theo thời gian. Tính chất trung bình (tính trên quần thể) của tế bào phụ thuộc vào môi trƣờng xung quanh. - Đối với sinh khối nói chung, sự phân bố sinh vật trong quần thể theo sự phát triển cũng nhƣ theo các tính chất sinh hóa là không đổi theo thời gian. Cân bằng vật chất vi phân sử dụng cho màng vi sinh vật mà trong đó lƣợng cơ chất nạp vào do khuếch tán phân tử bằng lƣợng mất đi do vi sinh vật tiêu thụ, ta có biểu thức: (3.4) Trong đó: RF - vận tốc khuếch tán cơ chất đến màng và vào trong vi sinh vật Rpƣ - vận tốc tiêu thụ cơ chất của vi sinh vật a - bề mặt các vi sinh vật sống tính theo đơn vị sinh khối De - hệ số khuếch tán phân tử hiệu quả ns- vận tốc giảm cơ chất tính theo một đơn vị bề mặt các vi sinh vật sống C - nồng độ cơ chất cục bộ bên trong sinh khối x - khoảng cách vùng trao đổi chất α, β – các hệ số có thứ nguyên tƣơng ứng ML-2T-1 và ML-3 Đối với màng sinh học các điều kiện biên cho là: x = L ; x = 0 ; C = C * (3.5) Nghiệm của phƣơng trình (3.4) và điều kiện (3.5) đƣợc giải bằng phƣơng pháp toán học có dạng: C = g(x, De, a, α, β, Latex, C * ) (3.6) d 2 C dx 2 a.ns β +C RF - Rpƣ = 0 ↔ De - = 0 dC dx 55 Thông thƣờng thì (3.6) đƣợc biểu diễn qua dòng ở bề mặt phân chia pha của sinh khối ở lớp biên có dinh dƣỡng, tức là (3.7) Phƣơng trình này có thuận lợi là các thông số sinh học (De, a, α, β) đƣợc tách rời khỏi các thông số vật lý thuần túy (L, C*). Mô hình động học tạo sản phẩm Quá trình sinh trƣởng của quần thể sinh vật diễn ra qua các giai đoạn khác nhau. Sự sinh sản của tế bào bắt đầu sau một giai đoạn tiềm phát. Giai đoạn tiếp theo là sự sinh sản sẽ tăng theo cấp lũy thừa. Sau một thời gian, sinh trƣởng ngừng lại do thiếu chất dinh dƣỡng cơ bản và sự tích lũy các chất ức chế. Các tế bào chuyển vào giai đoạn cân bằng, trong giai đoạn này không xảy ra sinh trƣởng nữa nhƣng tế bào vẫn còn trao đổi chất. Toàn bộ quá trình nuôi gắn liền với sự thay đổi kéo dài của điều kiện nuôi. Chất dinh dƣỡng giảm đi, số lƣợng tế bào tăng lên, đồng thời hoạt tính trao đổi chất cũng thay đổi. Trong các quá trình lên men kèm theo sự tạo thành sản phẩm trao đổi chất, vận tốc tạo thành sản phẩm có thể tỷ lệ với vận tốc phát triển của tế bào và dựa trên cơ chế tạo thành sản phẩm trong các phản ứng lên men sẽ suy ra đƣợc sự phát triển của sinh khối. Tuy nhiên trong một số trƣờng hợp, quá trình phát triển của vi sinh vật và sự tạo thành sản phẩm không xảy ra song song. Về phƣơng diện chức năng của các sản phẩm trao đổi chất đối với tế bào có thể phân biệt thành hai nhóm: - Các sản phẩm mà sự tạo thành của chúng gắn liền với sự sinh trƣởng. Sự tổng hợp các sản phẩm này xảy ra trong thời gian sinh trƣởng và có thể tiếp diễn sau khi sự sinh trƣởng đã kết thúc (hình 3.11a). - Các sản phẩm mà sự hình thành của chúng không cần thiết cho sự sinh trƣởng. Sự tổng hợp của chúng xảy ra sau khi sự sinh trƣởng đã kết thúc, nghĩa là thƣờng xảy ra trong giai đoạn cân bằng, giai đoạn này của sự tạo thành sản phẩm đƣợc gọi là giai đoạn sản xuất (hình 3.11b). Khi đó giai đoạn sinh trƣởng đƣợc gọi là giai đoạn dinh dƣỡng. x = 0 ; N = -De = g (De, a, α, β, Latex, C * ) dC dx 56 Trong trƣờng hợp tổng quát sự ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất và sản phẩm trao đổi chất lên vận tốc phát triển của vi sinh vật đƣợc mô tả bằng phƣơng trình sau: Trong đó: X - nồng độ của vi sinh vật μm - tốc độ phát triển riêng cực đại Sx - nồng độ của cơ chất sau khi phát triển x vi sinh vật S - nồng độ của cơ chất ban đầu P - nồng độ sản phẩm trao đổi chất Ks - hằng số phân ly enzyme và cơ chất Kp - hằng số phân ly tạo thành sản phẩm dX Sx Kp dt Ks + S Kp + P = μm Thời gian Thời gian Giai đoạn sinh trƣởng Giai đoạn sản phẩm Sinh trƣởng Sản phẩm Tốc độ sinh trƣởng và tạo thành sản phẩm Tốc độ sinh trƣởng và tạo thành sản phẩm a b Hình 3.11. Động học của sự sinh trƣỏng và tạo thành sản phẩm a. Sự sinh trƣởng và tạo ra sản phẩm diễn ra đồng thời b. Sự tạo thành sản phẩm bắt đầu từ khi sinh trƣởng kết thúc 57 Hình 3.12. Cân bằng vật chất vi phân đối với fermentor dòng chảy piston 3.3.4 Mô hình toán học cho một fermentor dạng ống Để thiết kế fermentor phải dựa trên cân bằng vật liệu, cân bằng nhiệt lƣợng, tốc độ phản ứng và vận tốc dòng. Cơ sở để xây dựng phƣơng trình cân bằng vật chất là định luật bảo toàn vật chất đối với các cấu tử phản ứng của hệ thống. Cân bằng vật chất có thể đƣợc thành lập đối với một phần tử riêng biệt bất kỳ của hệ thống. Nếu toàn bộ thể tích fermentor dùng làm phần tử thì cân bằng vật chất đƣợc coi nhƣ cân bằng tổng quát. Đối với một thành phần của dòng, cân bằng vật chất đƣợc gọi là cân bằng vi phân. Ở trạng thái ổn định của hệ, cân bằng vật chất tổng quát đƣợc mô tả bởi phƣơng trình đại số, còn cân bằng vi phân là phƣơng trình vi phân. Cân bằng vật chất tổng quát : “hiệu của vận tốc dòng tác nhân phản ứng ở đầu vào và đầu ra bằng vận tốc giảm tác nhân do phản ứng”. (4-1) Cân bằng vật chất vi phân: “Tổng đại số hiệu vận tốc dòng tác nhân phản ứng qua bề mặt một nguyên tố lỏng bằng vận tốc sụt giảm tác nhân do phản ứng trong phạm vi nguyên tố” (4-2) Tích phân (4-2) trong giới hạn các điều kiện của dòng chảy sẽ đƣa đến những thông tin chứa trong (4-1). Các biểu thức (4-1) và (4-2) cho phép tìm ra phƣơng trình thiết kế cơ sở cho các fermentor khác nhau. Trong quá trình xảy ra bất đẳng nhiệt, phải phối hợp thêm phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng. Khi đó phƣơng trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lƣợng liên hệ với nhau qua nhiệt phản ứng. Đối với fermentor dạng ống do nó luôn tồn tại gradien nồng độ nên không thể xây dựng phƣơng trình cân bằng vật chất dạng đại số nhƣ các fermentor khuấy trộn hoàn toàn. Dạng đơn giản nhất của fermentor dạng ống đặc trƣng ở chỗ toàn bộ các nguyên tố lỏng có cùng một vận tốc và gradien nồng độ chỉ tồn tại theo hƣớng dòng (mô hình đẩy lý tƣởng). Các fermentor có mô hình lý tƣởng nhƣ vậy có tên là fermentor dòng chảy piston. Fermentor loại này cân bằng vật chất vi phân có dạng sau: C dc C - dl U dl 58 u[ C - ( C - )] = -Rv ↔ u = - Rv dc dl dc dl (4-3) Trong đó: U : Vận tốc dòng chảy Rv : Vận tốc của phản ứng trên một đơn vị vận tốc lỏng : Gradien nồng độ theo hƣớng dòng chảy Có thể biểu diễn (4-3) ở dạng tích phân: Trong đó: Co, Ci là nồng độ cơ chất đầu vào và ra L là chiều dài fermentor Rv phụ thuộc vào nồng độ cục bộ Nếu những thông tin về Rv đầy đủ, có thể tính (4-4) theo phƣơng pháp giải tích hoặc đại số. Vế phải của (4-4) có thứ nguyên thời gian và có thể coi là biểu thức đặc trƣng cho thời gian lƣu của hỗn hợp phản ứng trong fermentor. Trong trƣờng hợp đơn giản nhất và đƣợc ứng dụng rộng rãi của (4-4) là khi Rv có quan hệ tuyến tính với nồng độ C (có nghĩa là phản ứng bậc một), tức là: Rv = K(1).C (4-5) K(1) là hệ số tốc độ phản ứng bậc một theo cơ chất Nếu kết hợp (4-4) và (4-5) sau khi tích phân ta đƣợc: Tpf là thời gian lƣu của hỗn hợp phản ứng trong fermentor dòng chảy piston Biểu thức (4-6) là phƣơng trình thiết kế fermentor dòng chảy piston khi vận tốc phản ứng trong đó phù hợp với phản ứng bậc một. Các mô hình đơn giản nhƣ vậy cho phép ngƣời ta thiết kế có thể đánh giá một cách rõ ràng hơn mối quan hệ tƣơng hỗ phức tạp, tồn tại trong các fermentor thực giữa những đặc trƣng dòng chảy của lỏng, các hiện tƣợng truyền khối, truyền nhiệt và động học phản ứng xảy ra trong đó. Chúng là cơ sở để ngƣời thiết kế dựa theo đó có thể đặt căn cứ cho những giả thuyết, những đơn giản hóa của mình và phác thảo về nguyên tắc cấu trúc của thiết bị tƣơng lai. dc dl Ci ∫ C0 dc Rv (- ) = dl U (4-4) Ci K(1) . L = exp [ - ] = exp [ -K(1) Tpf ] (4-6) Co U 59 Thuyết minh dây chuyền công nghệ Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp cố định bao gồm các bƣớc sau: Đầu tiên nƣớc sử dụng để pha môi trƣờng lên men sẽ đƣợc thanh trùng bằng thiết bị khử trung nhờ tia UV (1). Nƣớc sau khi khử trùng sẽ đƣợc cho vào thiết bị khuấy trộn dịch lên men (3) cùng với các thành phần khác là C2H5OH, CH3COOH, đƣờng gluco, các chất đa và vi lƣợng... Môi trƣờng sẽ đƣợc khuấy trộn trong 15 phút để các thành phần đƣợc đồng nhất với nhau, đồng thời cũng làm giảm nhiệt độ của nƣớc pha dịch lên men . Dịch lên men sau khi đồng nhất đƣợc trữ trong thùng chứa nguyên liệu đầu (7) và đƣợc bơm lên các tháp lên men chính (4) nhờ bơm nhập liệu (6). Tháp lên men sẽ đƣợc khử trùng bằng hơi nƣớc ở nhiệt độ cao, đổ đầy vật liệu bám và trải qua giai đoạn cấy giống vi khuẩn để chuẩn bị cho quá trình lên men. Dịch lên men sẽ đƣợc tƣới từ trên xuống qua lớp đệm có bám đầy vi khuẩn acid acetic. Lƣợng cồn trong dịch lên men sẽ đƣợc chuyển hóa thành acid acetic. Sản phẩm