Khóa luận Nghiên cứu sản xuất acida acetic theo phương pháp lên men nhanh bằng nguồn nguyên liệu tự nhiên

loại: Nguyên tố khoáng đa lượng: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, … Nguyên tố khoáng vi lượng: Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu,… Và một thành phần cũng rất quan trọng cần quan tâm đến đó chính là chất lượng nước pha môi trường trong quá trình lên men. Nước là thành phần cơ bản và thường được sử dụng với số lượng rất nhiều trong quá trình lên men. Do đó, chất lượng nước phải được bảo đảm để không xảy ra những phản ứng hoá học khi tiến hành lên men, hoặc không để xảy ra những tác động của vi sinh vật lạ từ nước vào quá trình lên men. Chất lượng nước phải được xem xét ở ba chỉ số sau: Độ cứng Khả năng oxy hoá. Vi sinh vật, đặc biệt là những vi sinh vật gây bệnh. Vì thế, nước pha môi trường lên men phải đạt độ sạch sinh học cao (vô trùng) và hàm lượng Clo thấp. Mặc khác nguyên liệu lên men cũng phải được xử lý các hợp chất như: tanin, ligin, … nếu nguyên liệu là nước ép trái cây như: điều,dứa, … Vì thế nên khi thực hiện quá trình lên men thì thành phần môi trường phải đảm bảo các yêu cầu đã nêu trên cho dù sử dụng nguyên liệu lên men là: cồn, nước ép điều, dứa, nước dừa, dung dịch pha từ đường, … 1.7 Sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh 1.7.1 Các phương pháp sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh: 1.7.1.1 Phương pháp nhúng: Hình 1.5 Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp nhúng Thiết bị lên men là một thùng thẳng đứng bên trong có một hay nhiều giỏ bằng gỗ đổ đầy phoi gỗ và có thể nâng lên hạ xuống được. Khi tiến hành lên men người ta đổ vào thùng khoảng ½ thể tích dịch lên men. Sau đó hạ giỏ xuống nhúng chìm lượng vỏ bào đã có màng vi khuẩn bám trong khối dịch lên men, để một thời gian nhất định để dịch lên men có thể thấm ướt toàn bộ lượng vật liệu bám thì nâng giỏ lên phơi trong không khí. Rồi lặp lại các thao tác đó theo môt chu kỳ nhất định, đã được tính toán trước sao cho quá trình oxyl hóa rượu đạt hiệu quả nhất. Tiến hành như vậy cho đến khi giấm hóa toàn bộ khối dịch lên men thì tháo ra để thanh trùng và bảo quản, rồi tiến hành mẻ khác. Phương pháp này có ưu điểm: đơn giản, dễ làm, gọn. Nhưng nó cũng có nhược điểm là năng suất thấp, dễ bị nhiễm khuẩn do không khí chưa được khử trùng. Phương pháp dịch chuyển: Thiết bị lên men của phương 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 nước hay các vật liệu nặng khác, khối dịch lên men chứa trong thùng chính bị ép phải dịch chuyển vào hai thùng phản ứng bên cạnh (có chứa đầy vỏ bào có vi khuẩn giấm bám trên bề mặt) khi những đệm chứa trong hai thùng phản ứng đã bảo hòa dịch lên men, phao được lấy ra và dịch lên men lại tràn về thùng chính. Phương pháp này đơn giản nhưng cồng kềnh, năng suất không cao, khó điều chỉnh quá trình nén chất lỏng từ thùng chính sang thùng phản ứng, không khí dễ bị nhiễm bẩn. Phương pháp trống quay Hính 1.6 Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp trống quay Gồm một thùng hình trụ bên trong có cấu trúc sao cho nhận được một lượng không khí lớn nhất đối với vật liệu chứa trong đó. Trống được bao bọc trong thùng hình trụ lớn và kín, có chứa những lỗ hút không khí. Một nửa trống được tiếp xúc với không khí, còn phần còn lại nằm trong khối dịch lên men. Trống được quay với 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 rượu có trong dịch lên men. Phương pháp cố định: Trong phương pháp này thùng phản ứng (gọi là generator) là một thùng hình nón cụt thẳng đứng bằng gỗ (hoặc bằng một vật liệu nào đó 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 này được giới hạn giữa hai đáy, đáy trên và đáy dưới cách khoảng 250mm có khoan những lỗ nhỏ để phân phối khí và lỏng. 1. Cửa đổ dịch lên men 4. Đĩa phân phối lỏng 2. Lưới đỡ đệm 5. Van hút không khí 3. Nhiệt kế 6. Cửa khí ra Hình 1.7 Thiết bị lên men nhanh phương pháp cố định (Generator thông khí tự nhiên) Ở đáy trên có những lỗ để tưới dịch lên men vào và cho không khí đi ra. Không khí được hút vào generator qua những lỗ nhỏ được khoan xung quanh dưới thành đáy giả. Để không khí vào mà lỏng không ra được thì các lỗ này được khoan dưới những góc nhọn với đường nằm ngang. Hai pha khí và lỏng đi ngược chiều nhau tiếp xúc trong generator sẽ được vi khuẩn chuyển hóa thành giấm. Nếu chiều cao generator đủ lớn thì dịch lên men chỉ cần đi qua một lần là được giấm hóa toàn bộ. Nếu quá trình lên men tốt, nhiệt độ ở phần làm việc của generator sẽ cao hơn ở nhiệt độ bên ngoài từ 10 – 120C tạo điều kiện cho sự thông khí tự nhiên. Nhìn chung ba phương pháp đầu không được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, chỉ có phương pháp cuối là phổ biến nhất và không ngừng được cải tiến, do đó nó có những ưu điểm sau: năng suất tương đối lớn, thiết bị tương đối gọn nhẹ, có thể tiến hành sản xuất trong mọi điều kiện vì có sự thông khí tự nhiên nên không phụ thuộc vào nguồn điện. 1.7.2 Chất mang vi khuẩn acid acetic 1.7.2.1 Một số yêu cầu đối với chất mang vi khuẩn acid acetic: Bản chất của quá trình lên men giấm là quá trình hiếu khí, vì thế phải tạo điều kiện tối đa vi khuẩn tiếp xúc với oxy và cồn (rượu etylic). Trong phương pháp lên men nhanh, giá thể được dùng để tăng diện tích tiếp xúc của oxy với vi khuẩn giấm nhầm thúc đẩy quá trình lên men acid acetic và nâng cao chất lượng giấm. (Nguyễn Công Huân, 1985). Đây là một yếu tố quyết định tính hơn hẳn của phương pháp nhanh so với phương pháp chậm. Vấn đề này đã được nghiên cứu và sử dụng với nhiều loại vật liệu bám khác nhau, khi lựa chọn vật liệu bám cần căn cứ vào các yếu tố sau: Thỏa mãn các yêu cầu chung của đệm như: nhẹ, có độ bền cơ học cao, diện tích tự do (bề mặt riêng) lớn, chống ăn mòn, rẻ tiền, dễ kiếm,… Không phản ứng với dịch lên men, không khí và sản phẩm lên men, cũng như không tiết ra các hợp chất hóa học gây độc hại đối với vi sinh vật và mùi khó chịu cho giấm. Đủ độ nhám và xốp để màng vi khuẩn có thể bám chặt ở một chế độ thủy động lực học nhất định. Dựa vào tính chất hóa học và nguồn gốc, chất mang được chọn để nghiên cứu là chất mang hữu cơ Celluloze. 1.7.2.2 Lựa chọn chất mang: Trong các loại chất mang thì chất mang có nguồn gốc celluloze có những ưu điểm phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay như công nghệ gia công không phức tạp, rẻ tiền, dễ kiếm ( ví dụ như: tre, bã mía, gỗ sồi,…) Trước đây, nhiều công trình đã nghiên cứu thử nghiệm với nhiều loại vật liệu bám chứa celluloze khác nhau như phôi gỗ (sồi, dẻ, bạch dương,..), lõi ngô, tre nứa,…Trong đó gỗ sồi được đánh giá rất cao vì nó có độ cứng tốt và trong các thớ gỗ có nhiều mao quản xốp. Nếu dùng gỗ sồi làm vật liệu bám thì được gia công như sau: gỗ được bào thành những lá mỏng, sấy khô bằng khí nóng và tự nó sẽ tạo thành những cuộn xoắn có độ xốp cao. Nếu dịch lên men từ rượu trắng và chế độ vận hành tốt thì phôi gỗ sồi có thể làm việc trong 20 – 30 năm, có khi đến 50 năm mới thay. Nếu dịch lên men từ nước ép quả, rượu vang thì chóng phải thay hơn do vi khuẩn Acetobacter tạo màng dày, bít chặt khoảng không gian tự do của các phôi bào. Ở Việt Nam không có gỗ sồi, còn họ dẻ ở nước ta có bảy loại thuộc họ dẻ đều có tính chất tương tự, dẻ gai có thể dùng làm vật liệu bám khá tốt. nhưng chúng có ít và phân bố rải rác khắp nơi các tỉnh Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, nên khó khai thác và vận chuyển, khả năng sử dụng chúng rất thấp. Vì vậy, việc tìm kiếm và thăm dò các vật liệu bám có sẵn, dễ kiếm, rẽ tiền để thay thế cho gỗ sồi, đồng thời vẫn đảm bảo được các yêu cầu của vật liệu bám là một trong những vấn đề mấu chốt trong việc thăm dò phương pháp nhanh để sản xuất giấm ở Việt Nam. Vấn đề xử lý vật liệu bám cũng khá quan trọng nhằm tách các chất độc hại như: tanin, lignin, các loại tinh dầu,…thường hay có trong các vật liệu có nguồn gốc thực vật. Vì vậy cần xử lý cẩn thận vật liệu bám trước khi sử dụng, một trong những phương pháp hay làm trong công nghiệp là trích ly sơ bộ bằng nước nóng. Sau đó ngâm chúng trong dung dịch axit hay kiềm để trích ly triệt để hơn các chất đã nêu trên. Trên những yêu cầu đó chất mang được luận văn chọn nghiên cứu là thân cây tre. Vì ở Việt Nam, tre là loại cây dễ kiếm (có thể tìm thấy ở khắp nơi), rẽ tiền và rất dễ gia công. 1.7.3 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 bám được trên bề mặt vật liệu đệm. Vật liệu bám đã được xử lý, chất đầy vào generator rồi thanh trùng Pasteur bằng hơi nước. Để cấy giống vi khuẩn lên bề mặt vật liệu bám người ta dùng giấm tươi (chưa lọc, chưa thanh trùng ) lấy từ một generator hiệu suất cao tuần hoàn chậm qua generator trong khoảng 8 – 12h. Vào ngày thứ hai thêm vào một lượng rượu đủ để đưa hàm lượng rượu trong dịch khoảng 2 - 3% thể tích và lại tuần hoàn hỗn hợp trong 8 – 12h. Ban đầu generator được cách ly với không khí bằng cách đóng chặt các van không khí để tránh sự tạp nhiễm từ bên ngoài do không khí. Sau ngày thứ hai generator được thông khí rất nhẹ cho đến khi vi khuẩn sinh sản trên bề mặt vật liệu bám (biểu hiện ở đây là khi nhiệt độ trong generator bắt đầu tăng so với bên ngoài do nhiệt phản ứng) generator sẵn sàng hoạt động. Chấm dứt giai đoạn cấy giống chuyển sang giai đoạn lên men. Thời gian tổng cộng của giai đoạn cấy giống đến 8 – 12 ngày đêm, ngoại lệ có thể nhanh hơn, nhưng có khi dài hơn. Lượng giấm tiêu hao cho quá trình cấy giống khoảng 400 l/m3 vỏ bào. 1.7.4 Vận hành generator Trong thực tế sản xuất, người ta vận hành generator theo hướng khác nhau nhưng phổ biến nhất là trong ba hướng sau: 1. Vận hành đơn: Hỗn hợp dịch lên men chỉ đi qua generator một lần, trong kiểu vận hành này dung dịch ban đầu được acid hóa đến 3 – 3,5% acid. Dịch sau khi qua generator sẽ đạt nồng độ cỡ 6%. Vận hành kép: Dịch lên men sau khi đi qua generator được acid hóa một phần và sẽ được giấm hóa hoàn toàn sau khi qua generator thứ 2, thứ 3,…đặt nối tiếp với generator đầu (đặt chồng lên nhau). Generator tuần hoàn: Dịch lên men sau khi đi qua generator được bơm tuần hoàn liên tục qua generator cho đến khi được giấm hóa hoàn toàn. Trong loại này và vận hành kép dịch lên men ban đầu có thể không cần acid hóa hoặc chỉ acid hóa đến 1% acid. Các generator tuần hoàn được sử dụng rộng rãi nhất do nó có những ưu điểm sau: Hoạt động với giá thành thấp Tương đối đơn giản, dễ khống chế, điều khiển Tiết kiệm nhiều không gian, để sản xuất cùng một lượng giấm, trong cùng một thời gian cần dùng ít đệm hơn Điều kiện cần thiết của phương pháp này là duy trì nhiệt độ trong buồng oxy hóa ở một giới hạn xác định đảm bảo cho quá trình tạo acid mạnh nhất (tốt nhất là giữ phần trên ở 300C, phần dưới gần 33 – 340C). Nhờ nhiệt độ này không khí bên ngoài không ảnh hưởng đến sự làm việc của generator do đó sản xuất không phụ thuộc vào thời tiết. Khi tuần hoàn có thể đưa generator luôn làm việc với nồng độ acid cao, như vậy một mặt tránh được sự tạp nhiễm có thể có (do thông khí tự nhiên), mặc khác luôn kích thích cho vi khuẩn phát triển và như vậy tốc độ tạo acid là rất cao, rút ngắn thời gian lên men. 1.7.5 Năng suất và hiệu quả của generator: Năng suất và hiệu suất là chỉ tiêu quan trọng đặc trưng cho sự làm việc của generator (và cũng chính là phương pháp nhanh sản xuất giấm). Năng suất của generator được xác định bằng lượng giấm (acid acetic 100%) nhận được từ 1m3 vỏ bào (vật liệu bám) trong một ngày đêm. Ở các generator làm việc tốt có thể đạt 2,9 kg acid acetic/1m3 vỏ bào. Hiệu suất lý thuyết theo cơ chế phản ứng là 103 kg acid acetic từ 100kg rượu khan. Nhưng thực tế ở các thiết bị lên men không có tháp ngưng tụ chỉ đạt 75 kg acid acetic mà thôi, còn các thiết bị ngưng tụ có thể đạt 93 kg acid acetic (tương đương 72,8% và 90,2%). Hiệu suất của quá trình sản xuất giấm không cao là do các nguyên nhân sau: Do oxy hóa không hoàn toàn rượu để đảm bảo còn lại trong giấm khoảng 0,3 – 0,5% rượu nhầm tránh sự quá oxyl hóa rượu. Tổn thất do quá oxy hóa, đặc biệt khi generator làm việc với nồng độ acid thấp (khi nồng độ gần 10% thì mất mát này không đáng) Tổn thất do rượu và giấm bay hơi, đây là dạng mất mát lớn nhất trong các dạng, mất mát có thể đến 2 – 6 % lượng rượu. Nhưng cũng có thể khắc phục được bằng cách đặt một thiết bị ngưng tụ bao gồm hai thiết bị lọc than đặt kế tiếp nhau sau tháp lên men để ngưng tụ rượu, acid acetic và một số khí khác (có thể dùng than hoạt tính hoặc silicagel để nạp cho tháp lọc). Chương 2: Mô Hình Fermenter Sử Dụng Màng Sinh Học Cố Định Trong Lên Men Acid Acetic 2.1 Thiết bị phản ứng sinh học-fermenter 2.1.1 Khái niệm, phân loại Khái niệm: Thiết bị phản ứng sinh học (hay gọi là fermenter) 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 fermenter có cấu trúc và phương thức làm việc khác nhau và được phân loại như sau: Theo phương thức làm việc: fermenter làm việc liên tục và fermenter làm việc gián đoạn Theo kết cấu: Fermenter và không có cánh khuấy Theo chế độ nhiệt: Fermenter đẳng , đoạn và đa biến nhiệt Theo cấu trúc dòng: Fermenter khuấy lý tưởng, đầy lý tưởng… Theo số pha tham gia: đồng thể và dị thể Các Fermenter thường dùng: Fermenter làm việc gián đoạn: T Hình 2.1 Fermenter làm việc gián đoạn Trong các fermenter loại này cơ chất được nạp vào từng mẻ và chỉ tháo ra sau khi đã chuyển hóa xong. Tuy năng suất thấp, chất lượng sản phẩm không ổn định, nhưng do cơ cấu tương đối đơn giản, dễ thao tác, vận hành nên loại này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vi sinh. Fermenter hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy: Hình 2.2 Fermenter hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy Cơ chất được đưa vào fermenter liên tục, được khuấy trộn mãnh liệt trong đó và sản phẩm được lấy ra liên tục. Do sản phẩm ở dạng huyền phù nên khi lấy ra liên tục sẽ cuộn vi sinh vật ra khỏi fermenter gây tổn hao chủng vi sinh vật lớn. Vì vậy việc sử dụng fermenter dạng này bị hạn chế. Các fermenter dạng tầng sôi: Hình 2.3 Fermenter dạng tầng sôi Loại này khắc phục được nhược điểm của loại dạng thùng có cách khuấy là việc vi sinh vật bị cuốn trôi. Trong các fermenter dạng này các phân tử vi sinh vật lơ lửng trong môi trường lên men nhờ dòng chảy từ dưới lên còn lực trọng trường sẽ giữ chúng lại, không bị cuốn trôi ra khỏi fermenter. Ở trạng thái tự nhiên, vi sinh vật có khoảng 60 – 90% nước trong cơ thể, do đó chúng có khối lượng riêng xấp xỉ khối lượng riêng của nước. Vì vậy để tạo lớp tầng sôi vận tốc của dòng chảy vào fermenter phải rất nhỏ. Điều này đôi khi không phù hợp yêu cầu của công nghệ. Vì vậy việc sử dụng các fermenter dạng này còn hạn chế. Fermenter dạng ống: Chúng có tên như vậy là vì dạng bên ngoài của chúng có dạng ống. Dòng chuyển động các tác nhân phản ứng trong các fermenter dạng này là chuyển động piston, trái ngược với fermenter dạng tầng sôi và dạng thùng có cánh khuấy liên tục có quỹ đạo chuyển động là ngẫu nhiên. Hình 2.4 Fermenter dạng ống 2.1.2 Những yêu cầu chung đối với fermenter Đây là cơ sở để lựa chọn cấu trúc thích hợp khi thiết kế fermenter, đối với fermenter nói chung cần thỏa 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 khuẩn. Do đó, fermenter phải có cấu trúc tương đối đơn giản, đảm bảo khả năng thanh trùng các khoang bên trong. Dễ bố trí các cơ cấu trao đổi nhiệt để khống chế nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men. Dễ chế tạo, gia công, an toàn và có hiệu quả cao. Trong các yêu cầu trên, yêu cầu đầu tiên là quyết định việc lựa chọn cấu trúc của fermenter cho hợp lý, đó là do tính đặc thù của quá trình vi sinh công nghiệp có vi sinh vật tham gia vào quá trình 2.2 Sự hình thành và phát triển của màng sinh học trên chất mang trong fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic 2.2.1 Trạng thái vi khuẩn acid acetic trong fermenter Trong fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men giấm, 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 ở hai trạng thái: cố định (tĩnh) hay linh động (các vật rắn trơ có màng sinh học che phủ lơ lửng trong môi trường lên men). Việc lựa chọn một trong hai dạng màng sinh học trên là tùy thuộc vào màng vi sinh vật đã phát triển được tách ra khỏi fermenter thế nào (trong trường hợp muốn khống chế bề dày màng). Nếu fermenter đòi hỏi làm việc trong điều kiện vô khuẩn, để đảm bảo điều đó chỉ có thể lấy màng vi khuẩn ra khỏi fermenter nhờ các biện pháp lực cắt thủy lực, tức là nhờ chuyển động của dòng lỏng và khí để tách màng sinh học ra khỏi bề mặt bám và cuốn chúng ra ngoài cùng dòng chảy. Muốn vậy các phân tử đệm phải được làm lơ lửng trong môi trường chuyển động mạnh. Còn các vi khuẩn giấm thì có khả năng lắng xuống đáy fermenter (như trong xử lý nước thải) và tách ra ngoài, lúc này lớp đệm nằm ở trạng thái tĩnh và lỏng chảy qua thiết bị ở dạng màng mỏng che phủ vùng hoạt động sinh học. 2.2.2 Cấu tạo màng vi khuẩn acid acetic Bề mặt bám Khối gel giữa các tế bào Tế bào của vi sinh vật Hình 2.5 Biểu diễn màng sinh học bám trên các vật rắn trơ Màng vi khuẩn giấm được tạo thành nhờ các biến đổi sinh hóa diễn ra trong các fermenter và bám được vào vật rắn là nhờ khả năng bám dính của màng nhầy (khối gel giữa các tế bào) của vi khuẩn. Một bề mặt nhám bất kỳ tiếp xúc với môi trường chứa các vi khuẩn giấm lơ lửng sau một thời gian nhất định sẽ trở nên hoạt động sinh học do vi sinh vật bám vào và phát triển thành lớp màng liên tục. Cơ chế quá trình bám dính này có liên quan đến bề mặt vật liệu bám (độ nhám, xốp,…) và chính bản thân vi sinh vật. 2.2.3 Sự phát triển của màng acid acetic Sự tạo thành màng vi khuẩn sẽ kèm theo sự hoạt động của thiết bị. Độ “hoạt động bề mặt” phụ thuộc vào diện tích che phủ bởi lớp màng, bề dày màng và nồng độ rượu trong môi trường dinh dưỡng. Sự phát triển của màng vi khuẩn giấm, khi giữ nguyên các thông số đầu vào, tạo nên sự phụ thuộc của sản phẩm chính vào thời gian, điều đó là sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào bề dày màng. Nếu sau một quá trình tích lũy nhất định bề dày màng không thay đổi nữa thì ta có thể coi các thông số đầu ra đạt được trạng thái ổn định. Điều đó có thể đạt được khi tải trọng vi khuẩn giấm đối với không gian tự do trên một bề mặt thể tích lớp đệm là nhỏ. Nhưng nếu tải trọng của vi khuẩn đủ lớn thì sẽ làm dạng hình học bên trong lớp biến đổi liên tục do tác động của quá trình phát triển, vi sinh vật và sự thoát đi một phần vi khuẩn ra khỏi bề mặt bám dưới tác dụng của lực trường. Kết quả là đường đi của dòng lỏng và bề mặt tiếp xúc pha rắn lỏng biến đổi. Về nguyên tắc trong môi trường có nồng độ rượu đủ lớn, màng vi khuẩn sẽ phát triển không ngừng. Nếu tốc độ tăng của bề dày màng này không lớn lắm thì profile nồng độ trong chúng ở một thời điểm bất kỳ sẽ được xem gần giống như trong lớp vi sinh vật có bề dày không đổi. Khi đó, có thể mô tả cặn kẽ sự biến đổi bề dày màng và quá trình làm việc của thiết bị. Sự tiêu thụ cơ chất để nuôi màng sinh học đã được nghiên cứu từ thực nghiệm. 2.2.4 Bề dày màng vi khuẩn acid acetic: 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 sẽ thoát ra từ dung dịch và tạo thành những túi khí. Khí này làm cho sự bám dính giữa khối màng và bề mặt bám sẽ kém đi. Cuối cùng màng rơi ra khỏi bề mặt bám dưới tác dụng của trọng lực và còn lại một lớp vi khuẩn giấm đã giảm khả năng sống Sau đó lớp màng lại bắt đầu tăng, tuy nhiên không thể tạo bề dày màng như ban đầu vì lực bám dính giữa màng và bề mặt bám đã bị yếu đi do có mặt các vi khuẩn giấm chết trong màng. Từ đó cho thấy rằng ở một mức độ nhất định màng vi khuẩn giấm có khả năng điều chỉnh được. Tuy nhiên không nên mong đợi nhiều vào cơ chế này để đảm bảo độ dày không đổi của màng vì những nguyên nhân sau: Các sản phẩm tạo thành trong bề dày màng có thể gây độc hại cho vi khuẩn, ức chế sự phát triển của chúng, cũng như gây nhiễm bẩn cho môi trường lỏng. Màng vi khuẩn giấm bị tách ra khỏi bề mặt bám có thể gây tắc lưu thông cho dòng lỏng và gây rối loạn chế độ làm việc trong thiết bị. Dao động về bề dày ở các phần riêng biệt của màng có thể lớn đáng kể. Các vùng khác nhau của màng vi sinh vật tách khỏi bề mặt bám ở các thời điểm khác nhau. Các thiết bị có bề dày màng không đổi được sử dụng làm thiết bị thực nghiệm để nghiên cứu động học vi sinh. Còn các thiết bị có bề dày màng thay đổi được sử dụng trong xử lý H2O thải và sản xuất giấm theo phương pháp nhanh. Trong các thiết bị dạng không khống chế bề dày màng quần thể vi sinh vật lộn xộn ở mức độ cao và ở các thời điểm khác nhau là khác nhau. Chất lỏng chảy qua thiết bị ở dạng màng dưới tác dụng của lực trọng trường. Thường diện tích màng lỏng thấm ướt nhỏ hơn nhiều so với diện tích hoạt động sinh học có thể đạt cực đại. Sự phát triển của vi khuẩn giấm chỉ xảy ra ở những vùng có đủ chất dinh dưỡng. Sự phát triển màng ngay trong những vùng này chỉ được tạo ra do sự chuyển động của chất lỏng. Do đó, trong thiết bị dạng này có quan hệ tương hỗ phức tạp giữa động học vi sinh, bề dày mang sinh học và bề dày được thấm ướt. Tuy nhiên, khi mô tả động học của thiết bị phải chấp nhận một vài giả thuyết gần đúng như sau: Mặc dù một phần nào đó của bề dày hoạt động sinh học không được thấm ướt liên tục nhưng giá trị thực tế của nó không đổi Vì quần thể vi sinh vật trong thiết bị dạng này lớn nên bề dày màng sinh học có kích thước đáng kể. Khi thiết bị làm việc, ban đầu là quá trình tích lũy vi sinh vật, nó diễn ra cho đến khi sự làm việc của thiết bị không phụ thuộc và quá trình tích lũy tiếp theo. Tuy nhiên, người ta đã xác định rằng ngay khi những đặc trưng của dòng vào là không thay đổi, sự làm việc của thiết bị vẫn biến đổi theo thời gian do sinh khối phá hủy bởi sự tương tác của dòng lỏng. Sự làm việc của thiết bị sẽ biến đổi theo thời gian dao động quanh một giá trị trung bình nào đó mà không thể dự đoán được sai lệch này. THỰC NGHIỆM Chương 3: Thực nghiệm lên men giấm theo phương pháp nhanh 3.1 Thời điểm, địa điểm nghiên cứu Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm máy và thiết bị - khoa Công Nghệ Hóa – trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh từ ngày 1/3/2005 đến 1/8/2005. 3.2. Thiết bị, nguyên liệu, phương pháp thí nghiệm 3.2.1 Thiết bị Chú thích: 1. Thùng cao vị 2. Bộ phận phân phối lỏng 3. Tháp lên men 4. Nhiệt kế 5. Bộ phận thông khí 6. Bình chứa sản phẩm 7. Bơm hoàn lưu 7 6 5 4 3 2 1 Hình 3.1 Hệ thống thiết bị lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh 3.2.1.1 Thiết bị chính (tháp lên men) Đặc điểm: loại tháp đệm, thân hình trụ được chế tạo từ vật liệu thủy tinh hữu cơ, đáy inox hoặc bằng thép không rỉ, hệ thống van và đường ống nhựa. Thông số kích thước tháp: Đường kính D=100 mm. Bề dày δ=2 mm. Chiều cao H = 1200 mm; có chiều cao lớp đệm h = 1025 Vật liệu làm chất mang vi khuẩn giấm: Trên cở sở các yêu cầu về vật liệu làm chất mang vi sinh vật đã trình bày ở phần I, nhận thấy thân tre Việt Nam có thể đáp ứng được vì có các ưu điểm: rẻ tiền, dễ kiếm, có tính trơ và độ nhám cao, bề mặt riêng lớn, không chứa các chất gây ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, dễ gia công và xử lý. Vì thế, chọn thân tre làm chất mang để nghiên cứu và khảo nghiệm khả năng thay thế cho phôi gỗ sồi. Hình 3.2 Vật liệu mang vi khuẩn acid acetic được làm từ thân tre Phương pháp gia công – xử lý: thân tre về được gọt bỏ lớp vỏ trơn bên ngoài để tăng độ nhám, sau đó được cắt thành những đoạn ngắn có kích thước: (xem hình 3.2) Đường kính ngoài: dN = 11.9 mm Đường kính trong: dT=8,3 mm Chiều cao: h = 12,2 mm Vật liệu bám (thân tre) được xử lý triệt khuẩn bằng hơi nước nên trước khi cho vào tháp, vật liệu đệm được đem luộc và sấy khô nhiều lần nhằm tách hết những chất không có lợi cho vi khuẩn giấm và quá trình lên men như: tinh dầu, lignin, …Sau đó, đem ngâm với dịch cấy giống trong một ngày rồi cho vào tháp một cách ngẫu nhiên để tiến hành cấy giống. 3.2.1.2 Các thiết bị phụ Bộ phận phân phối lỏng: đây là bộ phận biến dòng liên tục thành dòng gián đoạn cung cấp cho tháp lên men dưới dạng xung. Nó hoạt động theo cơ cấu máng lật. Lưu lượng lỏng được đo bằng cách thay đổi đối trọng ở máng lật để đo thể tích dịch lên men trong mỗi lần lật, và dùng thì kế để đo thời gian mỗi lần lật. Lưu lượng dòng lỏng: 50÷200ml/phút; Lưu lượng kế khí (rotameter): thang đo từ 0 đến 1,54m3/ph; Bình mariot: ổn định lưu lượng lỏng theo nguyên tắc chiều cao hình học của dòng chảy không đổi; Bơm hoàn lưu: công suất 1/4 Hp; năng suất 0,1 m3/h Các thiết bị được mô tả theo sơ đồ hệ thống hình 3.4 3.2 Nguyên liệu 3.2.1 Giống vi khuẩn giấm Chọn giống: như đã trình bày ở phần I, giống vi khuẩn giấm được chọn để nghiên cứu quá trình lên men là giống acetobacter – loài aceti vì có nhiều ưu điểm thích hợp cho phương pháp lên men nhanh: Có độ bám dính cao. Tạo màng mỏng tơi xốp. Tích lũy và chịu được nồng độ axit cao khoảng 6%. Đặc điểm sinh học của vi khuẩn acetobacter: chúng là trực khuẩn ngắn, không chuyển động và có thể liên kết với nhau tạo thành chuỗi dài, nhuộm màu vàng với dung dịch iod, có thể sống ở nồng độ cồn khá cao 11%. Nhiệt độ phát triển tối ưu của chúng là 340C. Nếu nhiệt độ cao quá (400C) sẽ gây ra hiện tượng co tế bào và tạo thành hình quả lê. Nhiệt độ trung bình của miền Nam rất phù hợp cho sự phát triển của con giấm. (Theo Nguyễn Công Huân, 1985). Những chủng vi khuẩn aceti này rất hiếu khí. Tốc độ sinh trưởng của chúng rất nhanh. Từ một tế bào sau 12h có thể phát triển thành 17 triệu tế bào. Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, chúng tạo thành acid acetic và nồng độ acid thấp lại kích thích sự sinh trưởng của chúng. (Lương Đức Phẩm, 1998) Giống vi khuẩn giấm acetobacter aceti được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Vi Sinh thuộc Khoa Công Nghệ Thực Phẩm – Trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh, vi khuẩn này đã được phân lập và nuôi thuần chủng. 3.2.2 Thành phần môi trường và cấy giống lên men Trong quá trình lên men vi sinh vật thường lấy chất dinh dưỡng từ dịch lên men. Do đó, việc cung cấp đầy đủ và cân đối các thành phần dinh dưỡng trong dung dịch lên men là một trong những yếu tố quyết định đến năng suất của cả quá trình lên men. Thành phần dịch lên men hay môi trường lên men phải có đầy đủ các thành phần cơ bản sau: nguồn dinh dưỡng cacbon, nitơ, khoáng, các yếu tố vi lượng và các chất kích thích sinh trưởng. Các chất hữu cơ dùng làm nguồn dinh dưỡng cacbon cho sự phát triển của vi khuẩn giấm có thể kể đến như: cồn, các loại nước ép trái cây có đường, mật rỉ, đường đơn, đường kép,… Như đã trình bày ở phần trên (xem 1.6) thì nước dùng trong quá trình lên men phải đảm bảo đúng tiêu chuẩn nước uống. Nước này phải không có màu, mùi, vị lạ, không chứa kim loại nặng (thuỷ ngân, bari, chì,…). Vì vậy, nước được chọn dùng để pha môi trường lên men trong thí nghiệm này là nước máy đã qua quá trình xử lý. Môi trường cấy giống và lên men được pha theo thực đơn tham khảo do Khoa Công Nghệ Thực Phẩm – trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh có thành phần ở bảng 3.1 sau: Bảng 3.1. Thành phần của môi trường cấy giống và lên men Môi trường Thành phần Số lượng Cấy giống Nước máy 5lít Đường glucose 50g Cao nấm men 25g Pepton 15g Cồn thực phẩm 25ml Acid acetic 1,5ml Nước dừa già 1lít Giống (từ lên men chậm) - Lên men Nước máy 20lit Đường glucose 200g Cồn thực phẩm 800ml Nước dừa già 2lit Acid acetic 200ml Dung dịch môi trường (khi chưa bổ sung dịch giống) thì được đem khử trùng. Chế độ khử trùng chung cho hai môi trường trên là: 1210C, trong 20 phút. Trước khi lên men thì mới bổ sung dịch giống vào môi trường đã khử trùng. 3.2.3 Các hóa chất và dụng cụ thí nghiệm khác: Máy đo pH: 744 pH Meter Các dung dịch dùng chuẩn độ: NaOH 0,1N; HCl 0,1N và phenolphthalein. Nhiệt kế, đồng hồ, pipet, buret, phiểu, bình tam giác, ống đong, … 3.3 Phương pháp thí nghiệm 3.3.1 Cấy giống (a) (b) (a). Chưa có màng vi khuẩn (b). Màng vi khuẩn đã phát triển Hình 3.3 Tháp lên men trước và sau khi cấy giống vi khuẩn acid acetic Pha dịch cấy giống theo bảng 3.1. Sau đó, đem khử trùng và tiến hành lên men theo phương pháp chậm trong 7 ngày. Kiểm tra nồng độ acid acetic 2% là được và cho tưới dịch qua tháp đã có sẵn chất mang vi khuẩn giấm (hình) với lưu lượng dòng lỏng không đổi 80ml/ph, tháp được thông khí tự nhiên. Tiếp tục tuần hoàn dịch với chế độ trên, theo dõi nhiệt độ trong và ngoài tháp (nhiệt kế được cắm trực tiếp vào tâm tháp như sơ đồ hệ thống lên men hình 3.4). Khi thấy nhiệt độ trong và ngoài tháp chênh lệch từ 2÷50C, nồng độ acid ở đầu vào và đầu ra có biến đổi và có màng mỏng màu trắng đục của vi khuẩn giấm bám trên bề mặt chất mang, đó là những dấu hiệu cho thấy vi khuẩn đã bám vào chất mang, đang sinh trưởng và phát triển. Lúc này, có thể tiến hành thí nghiệm lên men. Thời gian cấy trong vòng 04 ngày – đêm. 3.3.2 Lên men Pha dịch lên men theo bảng 3.1 rồi đem khử trùng. Sau đó, dịch lên men được tưới vào tháp lên men theo sơ đồ hệ thống thí nghiệm (hinh 3.4). Chú thích: 1. Lưu lượng kế 2. Quạt 3. Thùng cao vị 4. Thùng phân phối lỏng 5. Lổ lấy mẫu 6. Nhiệt kế 7. Cột chêm 8. Bộ phận thông khí 9. Thùng chứa sản phẩm 10. Bơm hoàn lưu Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh Với sơ đồ hình 3.4, dịch lên men được cho vào bình mariot (3) và chảy xuống bộ phận phân phối lỏng (4) theo cơ cấu máng lật, dịch được tưới đều vào khối đệm trong tháp lên men (7) theo một chu kỳ thích hợp. Dịch lên men chảy từ đỉnh tháp xuống tiếp xúc với màng vi khuẩn giấm bám trên các đệm tre. Tại đây, quá trình lên men sẽ diễn ra. Tùy vào chế độ khảo sát mà không khí được thông tự nhiên bởi ống thông khí (8) hay cưỡng bức nhờ quạt thổi (2) qua lưu lượng kế (1) từ dưới đáy tháp lên. Dịch lên men sau khi qua tháp, chảy vào bình chứa sản phẩm (9), một phần sẽ được hoàn lưu lên đỉnh tháp nhờ bơm hoàn lưu (10) (khi cần khảo sát dòng hoàn lưu). Trong quá trình lên men, nhiệt độ được theo dõi nhờ nhiệt kế (6). Mỗi chế độ thí nghiệm, cho hệ thống chảy ổn định khoảng một giờ để vi khuẩn giấm có thời gian thích ứng với điều kiện thí nghiệm. Sau đó mới lấy mẫu đem chuẩn độ, ở đây chọn chế độ thí nghiệm thông khí tự nhiên. 3.3.3 Cách lấy mẫu Mỗi thí nghiệm giữ nguyên cố định lưu lượng lỏng là 80ml/phút. Tùy theo yêu cầu của mỗi chế độ thí nghiệm thực nghiệm mà mẫu được lấy ra theo các vị trí khác nhau trên tháp. Tháp lên men được chia thành các vị trí lấy mẫu khác nhau như sau: Ra Vào Hình 3.5 Sơ đồ vị trí lấy mẫu trên thân tháp Nhưng trong quá trình thí nghiệm thực nghiệm này chúng ta chỉ lấy mẫu ở vị trí 0 và 6 tức là đầu vào và đầu ra của hệ thống lên men. Để tránh sai số ở mỗi thí nghiệm, lấy 3 mẫu cách nhau 15 phút đem phân tích bằng phương pháp chuẩn độ. 3.3.4 Khảo sát thí nghiệm của thành phần môi trường lên tốc độ lên men 3.3.4.1 Trên thành phần môi trưòng nước dừa 3.3.4.1.1 Thay đổi nồng độ phần trăm môi trường nước dừa A Thí nghiệm thăm dò bằng lên men chậm Mục đích: tìm thành phần môi trường lên men đạt hiệu quả cao nhất khi thay đổi hàm lượng nước dừa trong môi trường. Thành phần môi trường: tổng thể tích 1 lít Nước máy: 0,79 l Cồn: 40 ml Acid acetic: 20 ml Đường: 10 g Nước dừa già: 100 ml (10%- thay đổi theo từng môi trường) Dịch giống 50 ml Chỉ thay đổi hàm lượng nước dừa và nước máy trong môi trường để tổng thể tích là 1lít. Khi đó ta thay đổi thành phần môi trường bằng việc tăng hàm lượng phần trăm nước dừa: 10%, 20%, 30%, 40%, 50%. Sau đó tiến hành lên men thử nghiệm bằng phương pháp lên men chậm. Sau khi pha môi trường, mỗi môi trường cho vào một bình riêng, đậy kín và để ở nơi yên tĩnh. Mỗi ngày lấy 5ml dịch lên men ở từng môi trường lên men khác nhau đem chuẩn độ acid bằng dung dịch NaOH 0.1N. B Thí nghiệm chính bằng lên men nhanh Mục đích: kiểm tra bằng thực nghiệm lên men nhanh các môi trường với thành phần môi trường đã thay đổi nồng độ nước dừa, để đánh giá chính xác hiệu quả lên men nhanh của thành phần môi trường đem thí nghiệm. Ở từng thành phần môi trường khác nhau: 10%, 20%, 30%. Pha 20l môi trường nước dừa. Sau đó cho lên men nhanh từng môi trường ở cùng điều kiện thí nghiệm. Thành phần môi trường cơ bản với hàm lượng nước dừa 10%: tổng thể tích 20l Nước máy: 16,8 l Nước dừa già: 2 l (10%) Cồn: 800 ml Acid acetic: 400 ml (2%) Đường: 200 g Tiến hành lên men nhanh từng môi trường: dịch lên men được tưới qua tháp với lưu lượng không đổi 80ml/phút và hoàn toàn thông khí tự nhiên. Dịch mẫu thí nghiệm được lấy định kỳ, mỗi lần lấy 5ml ở hai vị trí đầu vào và đầu ra của thiết bị lên men nhanh (như vị trí lấy mẫu ở hình 3.5), đem chuẩn độ acid acetic bằng dung dịch NaOH 0,1N. 3.3.4.1.2 So sánh quá trình lên men nhanh và lên men chậm của môi trường nước dừa Mục đích: đánh giá tính hiệu quả của quá trình lên nhanh so với lên men chậm. Thành phần môi trường như thí nghiệm chính ở trên với hàm lượng nước dừa 30 %. Pha 20l môi trường nước dừa. Sau đó lấy ra 2l môi trường vừa pha đem lên men chậm. Cùng lúc đó đem dung dịch môi trường còn lại tiến hành lên men nhanh. Lên men chậm: dịch lên men được cho vào bình, đậy kín và để ở nơi yên tĩnh. Mẫu được lấy định kỳ, mỗi lần lấy 5ml dịch lên men đem chuẩn độ acid. Lên men nhanh: dịch lên men được tưới qua tháp với lưu lượng không đổi 80ml/phút và hoàn toàn thông khí tự nhiên. Dịch mẫu thí nghiệm được lấy định kỳ, mỗi lần lấy 5ml ở hai vị trí đầu vào và đầu ra của thiết bị lên men nhanh (như hình 3.5), đem chuẩn độ acid acetic bằng dung dịch NaOH 0,1N. 3.3.4.2 Trên môi trường dung dịch nước đường 3.3.4.2.1. Thay đổi thành phần nước đường trong môi trường lên men A. Thí nghiệm thăm dò (lên men chậm) Mục đích: tìm môi trường có hiệu quả lên men khả quan, thử nghiệm xem khả năng thích ứng của vi khuẩn giấm trong điều kiện nhiều đường (do theo lý thiết thì vi khuẩn giấm có khả năng chuyển hóa môi trường có nhiều đường thành acid acetic –qua giai đoạn trung gian là chuyển hoá đường thành cồn). Thành phần môi trường: tổng thể tích 1 lít Nước máy: 0,79 l Cồn: 40 ml Acid acetic: 20 ml Đường: 10 g (1% - thay đổi) Nước dừa già: 100 ml Dịch giống 50 ml Thực hiện thí nghiệm thăm dò bằng quá trình lên men chậm, với nhiều môi trường có hàm lượng đường khác nhau: 1%, 2.5%, 5%, 7.5% và 10% tương ứng với hàm lượng đường trong môi trường là: 10g, 25g, 50g, 75g và 100g . Sau khi pha môi trường, mỗi một môi trường cho vào một bình riêng, đậy kín và để ở nơi yên tĩnh. Mỗi ngày lấy 5ml dịch lên men ở từng môi trường lên men khác nhau đem chuẩn độ acid bằng dung dịch NaOH 0.1N. B. Thí nghiệm chính (lên men nhanh) Tiến hành lên men nhanh với các môi trường đã thay đổi hàm lượng đường 2.5%, 5%, 7.5% ở cùng điều kiện thí nghiệm. Mỗi môi trường pha 20l, với thành phần cơ bản như sau: Nước máy: 16,8 l Nước dừa gia: 2 l Cồn: 800 ml Acid acetic: 400 ml Đường: 200 g (1%) Dịch lên men được tưới qua tháp lên men với lưu lượng không đổi 80ml/phút và hoàn toàn thông khí tự nhiên. So sánh môi trường lên men nhanh và lên men chậm của môi trường nước đường Pha 20l môi trường dung dịch nước đường . Sau đó lấy ra khoảng 2l môi trường vừa pha đem lên men chậm. Cùng lúc đó đem dung dịch môi trường còn lại tiến hành lên men nhanh. Lên men chậm: dịch lên men được cho vào bình, đậy kín và để ở nơi yên tĩnh. Mẫu được lấy định kỳ, mỗi lần lấy 5ml dịch lên men đem chuẩn độ acid. Lên men nhanh: dịch lên men được tưới qua tháp với lưu lượng không đổi 80ml/phút và hoàn toàn thông khí tự nhiên. Dịch mẫu thí nghiệm được lấy định kỳ, mỗi lần lấy 5ml ở hai vị trí đầu vào và đầu ra của thiết bị (lên men nhanh) đem chuẩn độ acid acetic bằng dung dịch NaOH 0,1N. 3.3.5 Khảo sát khả năng thay thế của thân tre làm chất mang vi khuẩn acid acetic Mục đích: tìm vật liệu bám thích hợp có khả năng thay thế gỗ sồi trong quá trình lên men nhanh acid acetic. Pha dịch lên men, tưới qua tháp với lưu lượng không đổi 100ml/phút, thông khí tự nhiên. Sau thời gian lên men kiểm tra tính chất của các phần tử đệm bằng quan sát và nhận xét định tính. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chương 4: Ảnh hưởng của thành phần môi trường lên tốc độ lên men 4.1 Khảo sát môi trường mới khi thay đổi thành phần nước dừa 4.1.1. Thí nghiệm thăm dò: (lên men chậm) Thí nghiệm với các môi trường có hàm lượng nước dừa khác nhau: sau 9 ngày tiến hành quá trình lên men chậm ta thu được kết quả được trình bày ở Bảng 3.2 Bảng 3.2 Nồng độ % acid theo thời gian lên men chậm (môi trường nước dừa) Môi trường nước dừa Ngày 10% 20% 30% 40% 50% 0 2.19 2.24 2.19 2.14 2.15 1 2.23 2.27 2.23 2.15 2.18 2 2.28 2.35 2.29 2.41 2.48 3 2.59 3.03 3.02 3.3 3.16 4 3.33 3.71 3.87 4.21 4.13 5 3.9 4.3 4.4 5.15 5.17 6 4.61 5.57 5.75 5.35 5.51 7 5.09 5.95 6.26 5.59 5.75 8 5.42 6.1 6.78 5.44 5.59 9 5.78 6 6.53 5.17 5.32 Qua bảng 3.2 ta thấy (xem h ình 4.1): Hình 4.1 Ảnh hưởng của nồng độ nước dừa trong quá trình lên men chậm Thảo luận: từ hình 4.1 trên ta nhận thấy rằng khi tăng hàm lượng nước dừa trong môi trường lên thì nồng độ acid aetic được sinh ra cũng tăng lên, cao nhất ở hàm lượng 30%. Nhưng khi tăng hàm lượng nước dừa lên: 40%, 50%. Thì nồng độ acid sinh ra không tăng theo nữa mà nằm ở mức độ gần như bão hòa bằng với lượng acid được sinh ra ở nước dừa 10%, 20%. Từ đó ta có thể kết luận rằng với môi trường nước dừa 30% thì hiệu quả lên men chậm là tốt nhất. Thí nghiệm chính (lên men nhanh) Sau quá trình lên men nhanh thực nghiệm các môi trường có thành phần nước dừa khác nhau. Ta có kết quả được trình bày ở Bảng số liệu 3.3. Bảng 3.3 Độ chuyển hóa (Ci/C0) của môi trường nước dừa Ci/C0 Giờ (h) 10% 20% 30% 2 1.0528 1.08092 1.1081 4 1.0448 1.05882 1.0792 6 1.0441 1.04734 1.0786 8 1.0296 1.04582 1.0724 12 1.0278 1.04279 1.061 14 1.0254 1.04251 1.0597 16 1.0199 1.0411 1.0429 18 1.0158 1.04098 1.0442 22 1.0165 1.04082 1.0435 24 1.0155 1.03465 1.0371 26 1.0128 1.03311 1.031 28 1.0109 1.02917 1.0302 30 1.0106 1.02869 1.0238 34 1.0071 1.02427 1.0237 36 1.0053 1.01439 1.0174 38 1.0053 1.02621 1.0202 40 1.013 1.01976 1.0201 44 1.0076 1.00954 1.009 C0: nồng độ acid acetic đầu vào cơ chất của dịch lên men Ci: nồng độ acid acetic đầu ra sản phẩm lên men Qua bảng số liệu 3.3 ta thấy (xem h ình 4.2): Hình 4.2 Ảnh hưởng của nồng độ nước dừa trong quá trình lên men nhanh Thảo luận: nhưng với quá trình lên men nhanh các môi trường có thành phần với hàm lượng nước dừa khác nhau, từ kết quả được thể hiện qua hình 4.2 thì qua quá trình lên men nhanh cũng đã chứng minh được rằng môi trường nước dừa nồng độ 30% có tốc độ chuyển hóa cơ chất Ci/C0 tốt hơn. Điều này cho chúng ta thấy rằng khi lên men nhanh với hàm lượng nước dừa 30% trong môi trường sẽ đạt hiệu quả lên men tốt nhất. 4.2 So sánh giữa lên men nhanh và lên men chậm với môi trường nước dừa Sau quá trình thực nghiệm được trình bày ở phần 3.3.4.1.2 ta thu được kết quả được thể hiện qua bảng số liệu 3.4 và 3.5: Bảng 3.4 Kết quả lên men nhanh của môi trường nước dừa 30% Bảng 3.5 Kết quả lên men chậm của môi trường nước dừa 30% Bảng 3.4 Bảng 3.5 T (h) C(%) acid T (h) C(%) acid 0 2.22 0 2.22 2 2.46 8 2.226 4 2.58 24 2.238 6 2.598 48 2.28 12 3.024 60 2.568 14 3.066 72 3.87 16 3.12 84 4.4 22 3.186 92 5.15 24 3.624 26 3.636 28 3.912 30 3.984 36 4.032 38 4.128 40 4.152 42 4.212 44 4.248 46 4.272 Qua bảng số liệu 3.4 và 3.5 ta thấy (xem hình 4.3): Hình 4.3 So sánh đối chứng giữa phương pháp nhanh và chậm của môi trường nước dừa Thảo luận: từ đồ thị 4.3 cho ta thấy trong cùng điều kiện về môi trường lên men, nhiệt độ, giống vi khuẩn. Với phương pháp lên men nhanh chỉ sau 46h nồng độ acid đạt xấp xỉ 4,3% acid. Trong khi đó, cùng điều kiện thí nghiệm phương pháp lên men chậm chỉ cho nồng độ acid khoảng 2,6%. Điều này chứng tỏ thiết bị lên men nhanh có bề mặt lên men lớn hơn rất nhiều so với lên men chậm nên tạo được bề mặt tiếp xúc pha lớn dẫn đến việc cho năng suất lên men lớn hơn. Mặc khác, với thiết bị lên men của quy mô phòng thí nghiệm, ta thấy rằng để đạt nồng độ xấp xỉ 2,6%,quá trình lên men chậm cần phải tốn khoảng thời gian gần 60h còn với quá trình lên men nhanh chỉ cần khoảng 4h là đã có nồng độ acid tương đương. Từ quy mô nhỏ phòng thí nghiệm nếu nghiên cứu phát triển thành quy mô công nghiệp thì sự khác biệt này có ý nghĩa rất lớn. Ngoài ra, khi để lên men chậm đạt nồng độ acid cực đại thì giá trị này còn cao hơn nồng độ đạt được trong quá trình lên men nhanh. Lý do là rượu và acid bay hơi ở nhiệt độ thường, nên trong quá trình tưới dung dịch môi trường qua tháp, một lượng lớn cơ chất rượu đã bay hơi làm nồng độ đạt được sau quá trình lên men giảm. 4.3 Khảo sát thực nghiệm khi thay đổi thành phần nước đường pha 4.3.1 Thí nghiệm thăm dò (lên men chậm) Sau 9 ngày khảo sát thực nghiệm lên bằng quá trình lên men chậm (xem phần 3.3.4.2.1) ta có kết quả được thể hiện qua bảng số liệu 3.6 sau: Bảng 3.6 Nồng độ % acid theo thời gian lên men chậm (môi trường nước đường) Môi trường nước đường Ngày 1% 2.50% 5% 7.50% 10% 0 2.19 2.11 2.106 2.09 2.02 1 2.23 2.12 2.136 2.1 2.05 2 2.28 2.15 2.15 2.14 2.08 3 2.59 2.85 2.78 2.54 2.62 4 3.33 3.66 3.26 3.01 3.04 5 3.9 4.25 3.73 3.4 3.43 6 4.61 5.5 5.25 4.63 4.55 7 5.09 5.28 5.37 4.81 4.84 8 5.18 5.14 5.35 5.62 5.14 9 5.14 5 5.29 5.51 5.02 Qua bảng số liệu 3.6 ta thấy (xem hình 4.4): Hình 4.4 Ảnh hưởng của nồng độ nước đường trong quá trình lên men chậm Thảo luận: từ biểu đồ hình 4.4 của thí nghiệm lên men chậm thăm dò có thể rút ra một số nhận xét sau: qua khảo sát thực nghiệm môi trường nước đường hàm lượng 7,5% tạo ra được nồng độ cao nhất nhưng tốn thời gian lâu hơn so với môi trường nước đường hàm lượng 2,5% (nồng độ acid tạo ra gần xấp xỉ). Về vấn đề này có thể được giải thích như sau: Do giống vi sinh vật acetobacter aceti này được nuôi cấy và giữ giống trong môi trường hàm lượng đường 1%. Cho nên khi tăng hàm lượng đường lên: 2.5%, 5%, 7.5%,… đem so ra thì là quá cao so với điều kiện sống của vi khuẩn. Vì thế với môi trường nước đường hàm lượng 7,5% thì vi khuẩn giấm cần thời gian thích nghi lâu hơn so với môi trường nước đường lượng 2,5%. Mặc khác, trong quá trình thích nghi với môi trường giàu đường thì vi khuẩn đã chuyển một phần đường thành rượu. Sau đó vi khuẩn phát triển thực hiện quá trình lên men chuyển hóa rượu thành acid acetic nên lượng acid được sinh ra cao hơn. 4.3.2 Thí nghiệm chính (lên men nhanh) Sau quá trình lên men, khảo sát thực nghiệm ta thu được bảng số liệu sau: Bảng 3.7 Nồng độ chuyển hóa (Ci/C0) của các môi trường nước đường lên men nhanh Ci/C0 Giờ (h) ND2.5% ND5% ND7.5% 2 1.221212 1.142857 1.082888 4 1.116279 1.071429 1.040816 6 1.098143 1.054038 1.050725 10 1.075556 1.02381 1.040724 12 1.06278 1.028384 1.038961 14 1.060345 1.030435 1.037815 16 1.044905 1.027957 1.032258 20 1.039451 1.025586 1.02439 22 1.040076 1.017143 1.031553 24 1.037951 1.018657 1.020492 26 1.014815 1.01107 1.012097 28 1.016544 1.023766 1.023891 32 1.009091 1.006897 1.023569 34 1.013962 1.010309 1.019934 36 1.013937 1.012007 1.018062 38 1.019064 1.010256 1.006061 Qua bảng số liệu 3.7 ta thấy (xem hình 4.5): Hình 4.5 Ảnh hưởng của nồng độ nước đường trong quá trình lên men nhanh Thảo luận: qua biểu đồ 4.5 quá trình lên men nhanh môi trường nước đường hàm lượng 2,5% có độ chuyển hóa tốt hơn là do vi sinh vật thích nghi nhanh hơn so với môi trường hàm lượng đường cao (5% hay 7.5%). Với môi trường giàu đường khi tưới qua tháp thì vi khuẩn không đủ thời gian vừa thích nghi, vừa tạo hệ enzym chuyển hóa đường thành rượu. Nên độ chuyển hóa môi trường hàm lượng 5% và 7.5% sẽ không bằng độ chuyển hóa sản phẩm của môi trường hàm lượng 2,5%. Qua đấy chúng ta cũng thấy rằng: nếu sử dụng môi trường nhiều đường đem rượu hóa trước khi lên men nhanh sẽ đạt hiệu quả tốt hơn vì khi đó không mất thời thời gian thích nghi cũng như tạo hệ enzym chuyển hóa đường thành rượu. 4.4 Thí nghiệm thực nghiệm so sánh giữa lên men nhanh và lên men chậm với môi trường nước đường Sau quá trình khảo sát lên men thực nghiệm nhanh và chậm (xem phần 3.3.4.2.2) ta thu được kết quả qua bảng số liệu 3.8 và 3.9 sau: Bảng 3.8 Kết quả lên men nhanh của môi trường nước đường Bảng 3.9 Kết quả lên men chậm của môi trường nước đường Bảng 3.8 Bảng 3.9 T (h) C(%) acid T (h) C(%) acid 0 2.244 0 2.232 2 2.43 8 2.244 4 2.448 24 2.262 6 2.496 48 2.472 8 2.52 60 3.18 16 2.55 72 3.5 18 2.76 84 4.4 20 2.88 96 5.15 22 2.964 24 2.988 30 3.012 32 3.48 34 3.6 36 3.648 38 3.684 44 3.72 46 3.984 48 4.068 50 4.116 52 4.176 Qua bảng số liệu 3.8 và 3.9 ta thấy (xem hình 4.6): Hình 4.6 So sánh đối chứng giữa phương pháp nhanh và chậm của môi trường nước đường Thảo luận: từ đồ thị 4.6 ta thấy rằng về thời gian lên men lâu cho cả hai phương pháp nhanh và chậm thì nồng độ acid sinh ra không khác biệt nhau là mấy (nếu không muốn nói là lượng acid sinh ra ở lên men nhanh còn thấp hơn chậm). Nhưng trong khoảng thời gian ngắn khoảng 40h thì lên men chậm vi khuẩn cần thích nghi, tăng trưởng và phát triển để thực hiện quá trình lên men sau đó. Còn lên men nhanh thì màng vi sinh vật đã bám và phát triển trên vật liệu bám chỉ làm nhiệm vụ chuyển hóa rượu thành acid. Trong quá trình thí nghiệm ta thấy sau khoảng thời gian gần 60 h, trong bình lên men chậm bắt đầu xuất hiện màng vi khuẩn giấm trên mặt dung dịch. Từ lúc đó acid trong dịch lên men được sinh ra rất nhanh (phù hợp với đồ thị hình 4.6). Đây chính là ưu điểm làm quá trình lên men nhanh. Để đạt được nồng độ acid cao khoảng 4,5 lên men nhanh chỉ cần thời gian khoảng 40h còn lên men chậm thì cần thời gian gấp đôi và phảI qua thời gian tiềm phát. Từ hình trên ta thấy rằng, trong quá trình lên men nhanh muốn đạt nồng độ acid là 4.5 % thì phải qua 4 chu kỳ hoàn lưu. Qua đó trong sản xuất muốn đạt nồng độ acid đó ta có thể thiết kế hệ thống cột chêm có chiều dài gấp 4 lần (nhược điểm là khi đó thiết bị lên men sẽ khá cao rất khó tìm vị trí lắp đặt và bất tiện) hoặc lắp 4 hệ thống riêng biệt nối tiếp nhau. Khảo sát khả năng thay thế của thân tre làm chất mang vi khuẩn acid acetic Sau thời gian lên men nhanh các môi trường thí nghiệm. Kiểm tra bằng quan sát và nhận xét định tính các tính chất của các phần tử đệm ở bảng 3.10: Bảng 3.10 Kết quả kiểm tra định tính các tính chất của chất mang chế tạo từ tre STT Chỉ tiêu Tính chất 1 Độ rắn Không giảm nhiều 2 Độ nhám Không đổi 3 Bề mặt riêng Không đổi 4 Độ xốp Không đổi 5 Màu sắc Đậm hơn Qua đó cho thấy sau quá trình lên men, chất mang vi khuẩn làm từ thân tre vẫn còn đảm bảo tốt mọi yêu cầu về công nghệ lên men đưa ra. Đặc biệt là trong quá trình lên men, đệm tre không tiết ra chất gây hại cho vi khuẩn giấm. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua kết quả thu được chúng ta có thể rút ra một số kết luận sau: 1.Trong cùng điều kiện lên men: môi trường, nhiệt độ giống vi khuẩn giấm acetobacter aceti phương pháp lên men nhanh cho sản phẩm có nồng độ acid xấp xỉ 4.2% sau thời gian 52h, với cùng thời gian này, phương pháp lên men chậm cho sản phẩm có nồng độ chỉ đạt gần 2,6%. Điều này chứng tỏ thiết bị lên men nhanh có bề mặt lên men lớn hơn lên men chậm nhiều lần nên cho năng suất cao hơn. Rõ ràng, phương pháp lên men nhanh được chọn để nghiên cứu có ưu thế vượt trội so với phương pháp chậm. 2. Để đạt hiệu suất cao trong quá trình lên men nhanh, môi trường lên men có thể tăng hàm lượng nước dừa lên đến hơn 30%. Nếu môi trường là dung dich nước đường pha thì hàm lượng đường có thể nằm trong khoảng 2 – 7%. 3. Sự cung cấp oxy là yếu tố quyết định đến kỹ thuật sản xuất giấm. 4.Kết quả cho thấy đệm làm từ thân tre Việt Nam sau khi gia công – xử lý hoàn toàn có thể dùng để thay thế cho phôi gỗ sồi trong lên men giấm theo phương pháp nhanh. Vì sau thời gian dài chịu tác dụng của môi trường lên men, các tính chất của các phần tử đệm cho thấy vẫn còn đảm bảo tốt mọi yêu cầu của công nghệ lên men. Kiến nghị Cần có biên pháp để giảm được lượng rượu và acid acetic bay hơi ở nhiệt độ thường với từng nồng độ xác định. Cần thí nghiệm khảo sát thêm tốc độ sục khí ảnh hưởng để quá trình lên men đạt được hiệu suất cao nhất. Có thể sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên (nguồn phế liệu của công nghệ chế biến thực phẩm: nước ép dứa -từ vỏ và cùi quả dứa, nước ép từ mía,…) lên men nhằm tận dụng nguồn nước ép có chứa đường. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Hữu Hiếu, 2004. Nghiên cứu công nghệ sản xuất acid acetic bằng phương pháp sinh học. Luận văn thạc sĩ. Đại học Bách Khoa TP.HCM 2. Đinh Khắc Hải, 2001. Thiết kế phân xưởng sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men phục vụ chế biến mủ cao su. Luận văn tốt nghiệp. Đại học Bách Khoa TP.HCM 3. Nguyễn Đức Lượng,2002. Công nghệ vi sinh. Tập 2. NXB Đại học Quốc Gia TP.HCM 4. Đinh Thị Kim Nhung, 1996. Nghiên cứu một số đặc điểm sinh học của vi khuẩn Acetobacter và ứng dụng chúng trong lên men acetic theo phương pháp chìm. Luân văn phó tiến sĩ Khoa Học Sinh Học, Hà Nội. 5. Lương Đức Phẩm, 1998. Công nghệ vi sinh. Nxb Nông Nghiệp Hà Nội. 6. Lê Ngọc Tú, 1998. Hóa sinh công nghiệp. Nxb Khoa Học và Kỹ Thuật. 7. Nguyễn Công Huân, 1985. Tiểu công nghiệp thực phẩm. Nxb Tp.Hồ Chí Minh. 8. Nguyễn Lân Dũng và ctv, 1997. Vi sinh vật học. Nhà xuất bản giáo dục. 9. Vương Thị Việt Hoa, 2003. Giáo trình thực tập vi sinh thực phẩm. Trường Đại Học Nông Lâm. 10. Trần Minh Tâm, 2000. Công nghệ vi sinh ứng dụng. Nxb Nông Nghiệp, Tp.Hồ Chí Minh. 11. Vương Thị Việt Hoa, 1999. Giáo trình vi sinh vật học đại cương. Trường Đại Học Nông Lâm. 12. Các luận văn có liên quan về sản xuất giấm. 13. Các chất gia vị - giấm, 2003. www.thuvienhoasen.org/u-dd-10-giavinauan.htm.