Luận Văn Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt gel và phương pháp hoạt hóa tới hiệu suất lên men rượu từ rỉ

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt gel và phương pháp hoạt hóa tới hiệu suất lên men rượu từ rỉ đường bằng phương pháp cố định tế bào


MỤC LỤC
MỤC LỤC ii
DANH MỤC HÌNH iv
DANH MỤC BẢNG . v
LỜI MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 2
1.1. Tổng quan về rỉ đường mía . 2
1.1.1. Thành phần hoá học của rỉ đường mía 2
1.1.2. Ứng dụng của rỉ đường mía 3
1.2. Tổng quan về quá trình lên men rượu etylic . 5
1.2.1. Bản chất của quá trình lên men rượu etylic . 5
1.2.2. Diễn biến và các thời kỳ lên men rượu etylic 7
1.2.3. Nguyên liệu và các phương pháp lên men rượu etylic . 9
1.2.4. Tác nhân lên men rượu etylic . 10
1.3. Tổng quan về kỹ thuật cố định tế bào . 11
1.3.1. Giới thiệu về cố định tế bào 11
1.3.2. Ưu điểm của việc cố định tế bào 12
1.3.3. Các phương pháp cố định tế bào 14
1.3.4. Kỹ thuật cố định tế bào bằng phương pháp bẫy . 15
1.3.5. Giới thiệu chung về chất mang Alginate 16
1.3.6. Các nghiên cứu về ứng dụng của alginate trong lĩnh vực cố định tế bào 20
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24
2.1. Đối tượng nghiên cứu 24
2.1.1. Nguyên liệu chính - rỉ đường . 24
2.1.2. Nguyên liệu phụ 24
2.1.3. Các dụng cụ và thiết bị dùng trong nghiên cứu . 24
2.2. Phương pháp nghiên cứu 25
2.3.1. Sơ đồ quy trình 25
2.3.2. Nội dung nghiên cứu . 27
iii
2.3.3. Bố trí thí nghiệm . 27
2.3.4. Phương pháp xử lý nguyên liệu và nuôi cấy tế bào nấm men . 30
2.3.5. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu . 31
2.3.5.1. Phương pháp phân tích 31
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN . 32
3.1. Kết quả xác định ảnh hưởng của kích thước hạt đến hiệu suất lên men rượu32
3.1.1.Ảnh hưởng của kích thước hạt gel đến thời gian lên men 32
3.1.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt gel đến hiệu suất lên men . 34
3.2. Kết quả xác định ảnh hưởng của phương pháp hoạt hóa đến hiệu suất lên men rượu 35
3.2.1. Kết quả thí nghiệm xác định số lần tái sử dụng hạt gel . 36
3.2.2. Kết quả xác định nồng độ oxy hòa tan bổ sung . 37
3.3. Đề xuất quy trình lên men từ rỉ đường bằng tế bào cố định . 39
3.4. Đánh giá hiệu suất lên men . 39
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 41
Kết luận 41
Đề xuất ý kiến 41
iv
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ lên men rượu etylic . 8
Hình 1.2. Nấm men vừa mới chớm nở được quan sát bằng kính hiển vi điện tử 11
Hình 1.3. Hình ảnh tế bào cố định trong alginate. 12
Hình 1.4. Cấu tạo của hai monomer α-L-guluronic acid và β-D-manuronic acid 16
Hình 1.5. Các dạng alginate 17
Hình 1.6. Mô hình tạo gel dạng vỉ trứng của alginate canxi. . 18
Hình 1.7. Quá trình tạo gel alginate canxi theo phương pháp khuếch tán . 22
Hình 2.1. Rỉ đường sau khi thu mua. . 24
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình nghiên cứu 25
Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm xác định ảnh hưởng của kích thước hạt gel đến hiệu suất
lên men 28
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm xác định ảnh hưởng của phương pháp hoạt hóa đến
hiệu suất lên men 30
Hình 3.1: Lượng đường sót trong dịch lên men theo thời gian ở các kích thước hạt
gel 1, 2, 5, 10, 25ml 32
Hình 3.2: Hiệu suất lên men theo thời gian ở các kích thước hạt gel 1, 2, 5, 10, 25ml 34
Hình 3.3. Hiệu suất lên men ở các kích thước hạt gel sau 48h lên men . 35
Hình 3.4: Hiệu suất lên men sau 48h ở các lần tái sử dụng với kích thước hạt gel 25ml 36
Hình 3.5. Quy trình lên men rỉ đường 39
v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của rỉ đường mía 2
Bảng 1.2: Thành phần chất hữu cơ của rỉ đường . 3
Bảng 1.3. Tóm tắt các đặc điểm chính của các phương pháp cố định 14
Bảng 1.4. Một số ứng dụng của alginate trong kỹ thuật cố định tế bào 20
Bảng 3.1. Thời gian lên men để đường sót 5mg/ml 33
Bảng 3.2: Kết quả xác định hiệu suất lên men sau khi bổ sung oxy . 38
1
LỜI MỞ ĐẦU
Rượu etylic hay ethanol là một hợp chất hữu cơ trong dãy đồng đẳng của
rượu metylic có công thức hóa học là C
2H5OH hay CH3
-CH2
-OH. Rượu etylic là
một chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước, sôi ở nhiệt độ
78,39
0
C, hóa rắn ở -114,15
0
C, tan trong nước vô hạn.
Nguyên liệu để sản xuất rượu etylic là các nguyên liệu giàu tinh bột (gạo,
sắn, ngô ) hay đường (rỉ đường ).
Tác nhân để thực hiện quá trình lên men rượu etylic thường là nấm men.
Người ta có thể cho trực tiếp hoặc nhốt chúng trong các „bẫy‟ và khi đó nó trở thành
tế bào cố định. Tế bào cố định được hiểu là ngăn không cho chúng chuyển động tự
do với các tế bào lân cận nó trong pha lỏng. Có nhiều phương pháp cố định đã được
các nhà khoa học nghiên cứu, ở đây chỉ xét phương pháp “bẫy” gel.
Cố định tế bào là một hướng phát triển mới trong công nghệ sinh học.
Những tế bào cố định được nghiên cứu và ứng dụng vào trong hóa học, thực phẩm,
nhiên liệu, y học và xử lý nước thải
Hiện nay, nguồn rỉ đường chủ yếu dùng làm thức ăn gia súc. Vấn đề xử lý rỉ
đường đang là vấn đề được các nhà máy đường quan tâm, trong đó có một hướng là
cho lên men rượu. Kỹ thuật lên men rượu bằng phương pháp cố định tế bào đã được
áp dụng, nhưng việc nghiên cứu về kích thước hạt gel, phương pháp hoạt hóa tế bào
chưa được quan tâm. Do đó, em được sự phân công của Nhà trường và Khoa Công
nghệ thực phẩm cho thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt
gel và phương pháp hoạt hóa tới hiệu suất lên men rượu từ rỉ đường bằng
phương pháp cố định tế bào”
Qua hơn 3 tháng thực tập tại phòng thí nghiệm thuộc trung tâm thí nghiệm
thực hành của trường em đã hoàn thành được những yêu cầu của đề tài. Mặc dù em
đã hết sức cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên báo cáo không tránh khỏi những
thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và các
bạn để báo cáo được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về rỉ đường mía
Rỉ đường mía là một sản phẩm phụ tạo ra trong quá trình sản xuất đường từ
cây mía, nó chính là đường không kết tinh được, do đó tồn tại ở trạng thái mật và
lẫn một số hợp chất khác.
Màu sắc của rỉ đường mía thường là màu nâu đen, do quá trình caramen hóa,
được tạo thành do phản ứng giữa đường với NH
2CH2
COOH [8].
Rỉ đường mía là hỗn hợp gồm nhiều loại đường: Saccharoza, glucoza, fructoza,
maltoza
1.1.1. Thành phần hoá học của rỉ đường mía [12]
Thành phần hóa học chính xác của rỉ đường mía rất khó dự đoán vì nó phụ
thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng, thời tiết, khí hậu, giống mía và giai đoạn thu hoạch
cũng như quy trình sản xuất đường trong từng nhà máy. Do vậy thành phần dinh
dưỡng, mùi vị, màu sắc và độ nhớt của rỉ đường không ổn định. Bảng 1.1 cho thấy
biến động của các thành phần của rỉ đường
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của rỉ đường mía
Thành phần Trung bình Biến động
Nước 20 17-25
Sucroza 35 30-40
Glucoza 7 4-9
Fructoza 9 5-12
Các chất khử khác 3 1-5
Các glucid khác 4 2-5
Khoáng 12 7-15
Các chất chứa N 4,5 2-6
Các acid không chứa N 5 2-8
3
Sáp, sterol và phôtpholipid 0,4 0,1-1
Sắc tố - -Vitamin - -Nguồn: Wolfrom và Binkley (1953)
Các loại glucid hoà tan (đường đôi và đường đơn) là thành phần dinh dưỡng
chính của rỉ đường, trong đó sucroza là chủ yếu (bảng 1.1). Rỉ đường mía có đặc
điểm là có tỷ lệ đường khử tương đối cao. Trong chu trình kết tinh các loại đường
khử tăng lên tới mức mà sucroza không thể kết tinh được nữa bởi vì đường khử làm
giảm khả năng hoà tan của sucroza. Các chất khoáng có xu hướng giữ sucroza trong
dung dịch, cho nên cân bằng giữa đường khử và chất khoáng sẽ quyết định sản
lượng sucroza lý thuyết có từ cây mía. Phần sirô còn lại thường được coi là rỉ
đường. Tổng lượng đường trong rỉ đường củ cải đường thường thấp hơn trong rỉ
đường mía, nhưng lại chứa hầu như toàn bộ là sucroza.
Bảng 1.2: Thành phần chất hữu cơ của rỉ đường
Nguồn: Sreg và Van de Meer (1985)
1.1.2. Ứng dụng của rỉ đường mía
Rỉ đường được ứng dụng trong sản xuất nhiều sản phẩm như: bột ngọt, rượu
rum, sản xuất nấm men, acid lactic, cồn, tăng sinh khối protein. Ngoài còn rất nhiều
các quy trình công nghệ tiên tiến khác cũng dùng rỉ đường làm nguyên liệu như:
Micromix-3 kết hợp bổ sung rỉ đường NPK để xử lý rác, xử lý vỏ đầu tôm với rỉ
đường và enzym dùng làm thứ ăn cho gia súc, gia cầm,
Thành phần Rỉ đường cải đường Rỉ đường mía
Sucroza 66 44
Fructoza 1 13
Glucoza 1 10
Acid amin 8 3
Các chất khác 24 30
4
Dùng rỉ đường làm nguyên liệu để lên men vì trong rỉ đường có những đặc
tính phù hợp với quá trình lên men như sau:
Rỉ đường chứa hàm lượng đường cao. Ngoài đường saccharose còn chứa nhiều
chất hữu cơ, vô cơ, các chất thuộc vitamin và các chất điều hoà sinh trưởng. Trong
đó có vitamin H (biotin) là chất kích thích sinh trưởng đối với phần lớn nấm men.
Trong 2 loại rỉ đường thì rỉ đường từ mía có hàm lượng biotin cao hơn rỉ đường từ
củ cải đường. Chính vì thế, ở nhiều nước không có mía, người ta phải nhập rỉ đường
từ mía về trộn chung với rỉ đường từ củ cải đường để đảm bảo hàm lượng biotin cho
nấm men phát triển. Tuy nhiên rỉ đường cũng có những đặc điểm không phù hợp
với quá trình lên men. Muốn sử dụng chúng cho quá trình lên men, ta phải tiến hành
một số quá trình xử lý.
Các đặc điểm ảnh hưởng quá trình lên men là: Rỉ đường thường có màu nâu
sẫm, được tạo ra trong quá trình chế biến đường. Màu này rất khó bị phá hủy trong
quá trình lên men. Sau khi lên men, chúng sẽ bám vào sinh khối nấm men và tạo
cho nấm men có màu vàng sẫm. Màu này không phải màu tự nhiên của nấm men và
việc tách màu ra khỏi sinh khối rất tốn kém và khó khăn. Các chất màu này bao
gồm các hợp chất caramen, phức chất của phenol – Fe +2, Melanoidin, Melanin.
Hàm lượng đường khá cao, nên khi tiến hành lên men phải pha loãng tới nồng độ
thích hợp cho sự phát triển của nấm men. Hệ keo trong rỉ đường có ảnh hưởng xấu
đến quá trình lên men. Hệ keo trong rỉ đường hình thành bởi protein và pectin. Hệ
keo này tạo ra độ nhớt cao làm giảm khả năng hoà tan của oxy, làm cản trở quá
trình trao đổi chất của tế bào nấm men. Nếu hệ keo không được phá sẽ gây thoái
hoá tế bào, dẫn đến hiệu suất thu nhận sinh khối nấm men thấp [1].
Bên cạnh đó sản phẩm phụ là CO
2
thu được trong quá trình lên men rỉ đường
để cung cấp cho các cơ sở sản xuất nước giải khát có gas cũng thu được khối lượng
đáng kể.
C6H12O6 2C
2H5OH + 2CO2
Theo công thức trên lượng CO
2 thu được chiếm (44:46)% = 95,65% khối
lượng cồn tinh khiết, qua khảo sát tại cơ sở sản xuất cồn với giá hiện tại 1.800
5
đồng/kg CO
2
sản phẩm phụ thu được đủ trả chi phí nhân công lao động trong toàn
cơ sở.
 Bảo quản rỉ đường
Hiện nay các công ty sản xuất đường thải ra một lượng rỉ đường từ 32%ư35%
so với đường thành phẩm. Với lượng lớn rỉ đường như vậy không thể tiêu thụ, sử
dụng hết ngay trong vụ ép vì vậy phải có kho chứa.
Kho chứa rỉ đường thường là hệ bồn hình tròn có thể đổ bê tông cốt thép
hoặc bằng thép có sức chứa từ 100 - 200 tấn rỉ, mỗi bồn nhất thiết phải có mái che
mưa nắng. Trước van xả bố trí hệ thống gia nhiệt để làm loãng trước khi lấy rỉ đường
vì rỉ đường để lâu bùn cát và một số đường saccharose kết tinh chặt dưới đáy, mùa
lạnh sẽ không thể lấy ra được
1.2. Tổng quan về quá trình lên men rượu etylic
1.2.1. Bản chất của quá trình lên men rượu etylic [15]
Lý thuyết về lên men rượu đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu từ lâu.
Năm 1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy, khi lên men
đường không chỉ biến thành rượu mà còn tạo ra acid axetic. Năm 1810, Gaylussac
nghiên cứu và thấy rằng, cứ 45 phần khối lượng đường glucoza khi lên men sẽ tạo
ra 23 phần alcol etylic và 22 phần khí cacbonic. Trên cơ sở đó ông đưa ra phương
trình tổng quát về lên rượu như sau:
C6H12O6 2C
2H5OH + 2CO2 + Q
Năm 1857, Louis Pasteur tiếp tục nghiên cứu và thấy rằng, cứ 100 phần đường
saccaroza khi lên men sẽ tạo ra 51,1 phần alcol etylic; 48,4 phần CO
2
; 32 phần
glyxerin; 0,7 phần acid succinic và 2 phần các sản phẩm khác. Từ đó ông suy ra, cứ
45 phần khối lượng glucoza khi lên men sẽ cho 21,8 phần rượu chứ không phải 23
phần như Gaylussac đã tính. Tuy nhiên, phương trình lên men do Gaylussac đưa ra
vẫn đúng và được dùng làm cơ sở để tính hiệu suất lên men và hiệu suất thu hồi
rượu theo lý thuyết.
Passteur cho rằng, sự lên men chỉ xảy ra khi có mặt của vi sinh vật. Nếu ngăn
ngừa không cho vi sinh vật tiếp xúc với dịch đường thì hiện tượng lên men sẽ không


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hồ Thị Bình (2011), Sản xuất nấm men từ rỉ đường, Bài tiểu luận.
2. Đỗ Thị Mai Hương (2004), Nghiên cứu sử dụng enzyme spezym XTRA
trong quá trình dịch hóa trong lên men cồn từ sắn, Đề tài tốt nghiệp.
3. Đặng Thị Thu Hương (2009), Bài giảng thiết kế và phân tích thí
nghiệm, Trường ĐH Nha Trang.
4. Trần Thị Luyến (2009), Bài giảng công nghệ sản xuất rượu bia và
nước giải khát, Trường ĐH Nha Trang.
5. Nguyễn Đức Lượng - Nguyễn Chúc - Lê Văn Việt Mẫn, Thực tập vi
sinh học thực phẩm, Trường Đại học Kỹ thuật tp Hồ Chí Minh.
6. Lê Thanh Mai và cộng sự (2000), Các phương pháp phân tích ngành
công nghệ lên men, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
7. Nguyễn Thị Mơ (2003), Nghiên cứu cố định tế bào Sacchromyces
Cerevisiae có hoạt tính invertase để thủy phân đường sucrose, Đề tài tốt
nghiệp, Trường ĐH Nha Trang.
8. Ngô Đăng Nghĩa (1999), Tối ưu hóa quy trình công nghệ sản xuất
alginate natri từ rong mơ Việt Nam và ứng dụng nó trong một số lĩnh
vực sản xuất, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Đại học thủy sản, Nha Trang.
9. Ngô Đăng Nghĩa (2004), Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến tế
bào Saccharomyces cerevisiae cố định trên gel alginate canxi tách
chiết từ rong mơ Việt Nam, Số đặc biệt Tạp chí khoa học và công nghệ
thủy sản, Trường ĐH Thủy Sản.
10. Phạm Tuấn Tài (1999), Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất cồn
từ rỉ đường, Bộ công nghiệp - Tổng công ty rượu bia, nước giải khát
Việt Nam - Viện nghiên cứu rượu bia nước giải khát, Hà Nội.
11. Nguyễn Thị Minh Tùy, Tối ưu hóa quá trình lên men rượu từ rỉ đường
bằng phương pháp cố định tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae,
Đề tài tốt nghiệp
44
12. Nguyễn Xuân Thạch, Sử dụng rỉ mật làm thức ăn gia súc
13. Khổng Trung Thắng (2001), Nghiên cứu hoàn thiện quy trình tách
chiết alginate natri từ rong nâu qua xử lý CaCl
2
và ứng dụng làm chất
mang cố định tế bào trong lên men dịch chiết dứa, Luận văn thạc sỹ,
Trường ĐH Nha Trang.
14. Lê Thị Hồng Thúy (2004), Nghiên cứu quy trình lên men bia bằng tế
bào cố định, Đề tài tốt nghiệp, Trường ĐH Nha Trang.
15. Nguyễn Đình Thưởng (2000), Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn
etylic, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
16. Chiristian Vogelsang & Kjetill ǿstagaard, Stability of alginate gels
applied for immobilized- yeast reactors, Enzyme and Microbial
Technology Vol. 7 n 11, Nov 1985, pp. 538-542
17. Nicolas M. Veling & Michele M, Mestdagh (1995), physico-chemical
properties of Alginate Gel Beads, Polymer Gels and Network 3 pp. 311 -330
18. Tampion J., Tampion M.D. (1987) Immobilized cell: principles and
Applications, Cambirdge University Press.