Tài liệu Phân lập và đánh giá khả năng lên men của một số chủng nấm men có hoạt lực cao trong sản xuất cồn từ

ĐỀ TÀI: Phân lập và đánh giá khả năng lên men của một số chủng nấm men có hoạt lực cao trong sản xuất cồn từ cây men lá tỉnh Lào Cai

PHẦN I
MỞ ĐẦU
Nhiên liệu là vật chất được sử dụng để giải phóng năng lượng khi cấu trúc vật lư hoặc hóa học bị thay đổi. Năng lượng có thể được giải phóng khi cần thiết và sự giải phóng năng lượng được kiểm soát để phục vụ mục đích của con người. Mọi dạng sự sống trên Trái đất, từ những cấu trúc vi sinh vật cho đến động vật và con người, đều phụ thuộc và sử dụng nhiên liệu là nguồn cung cấp năng lượng. Các tế bào trong cơ thể sống tham gia quá tŕnh biến đổi hóa học mà qua đó năng lượng trong thức ăn hoặc ánh sáng Mặt trời được chuyển hóa thành những dạng năng lượng có thể duy tŕ sự sống. Con người sử dụng nhiều cách thức nhằm biến đổi năng lượng ở nhiều h́nh thức thành những dạng phù hợp mới mục đích sử dụng phục vụ cuộc sống và các quá tŕnh xă hội. Ứng dụng giải phóng năng lượng từ nhiên liệu rất đa dạng trong cuộc sống như đốt cháy khí tự nhiên để đun nấu, kích nổ xăng dầu để chạy động cơ, biến năng lượng hạt nhân thành điện năng, . Các dạng nhiên liệu phổ biến được dùng là dầu hỏa, xăng dầu, than đá, chất phóng xạ, . Hiện tại, trên hầu hết các quốc gia trên thế giới, than đá vẫn là nguồn nguyên liệu chính cung cấp điện năng cho nhu cầu trong nước. Một vấn đề đang được quan tâm là nguồn năng lượng hóa thạch này ngày nay đang dần khan hiếm và khó có thể tái tạo được.
Những năm gần đây, dư luận nói đến nhiều về nguồn năng lượng mới, gọi là năng lượng lựa chọn, năng lượng thay thế hay năng lượng xanh. Ưu điểm của nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, khụng gơy ô nhiễm, không bị cạn kiệt và là giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai. Đẩy mạnh sử dụng cồn nhiên liệu là một trong những lựa chọn chiến lược bảo vệ an toàn tài nguyên quốc gia và phát triển nguồn năng lượng tái sinh sạch. Việc này không chỉ có thể ứng phó với sự thiếu hụt năng lượng dầu mỏ của thế giới trong tương lai, mà c̣n có thể bảo vệ, duy tŕ nguồn năng lượng quốc gia và bảo vệ môi trường. Để đối phó với những cuộc khủng hoảng dầu mỏ của thế giới những năm 70 và giảm bớt sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu xăng dầu, Braxin bắt đầu phát triển nhiên liệu cồn để tận dụng triệt để nguồn tài nguyên nông nghiệp quốc gia, đặc biệt là ưu thế của cây mía, họ đă coi cây mía là nguồn nguyên liệu chính của kế hoạch phát triển cồn nhiên liệu.
Việt Nam có nhiều tiềm năng về năng lượng sinh học có thể làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ. Nhiều loại cây như sắn, ngụ, mớa, . có thể sản xuất cồn sinh học mà ở Việt Nam lại có nhiều vùng đất rất thích hợp với các loại cây trồng này. Sản lượng sắn cả nước năm 2007 là hơn 7 triệu tấn, mía đường hơn 14 triệu tấn và ngô gần 4 triệu tấn. Với sản lượng này có thể đáp ứng được cho nhu cầu sản xuất cồn sinh học ở quy mô vừa và nhỏ. Ước tính Việt Nam có thể sản xuất 5 triệu lít cồn sinh học mỗi năm nếu như có sự điều chỉnh về sản lượng và diện tích cây trồng. Điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép h́nh thành những vùng nguyên liệu tập trung để phát triển nguồn nhiên liệu sạch này. Vì vậy, chúng tôi đă thực hiện nghiên cứu đề tài “Phân lập và đỏnh giá khả năng lên men của một số chủng nấm men có hoạt lực cao trong sản xuất cồn từ cây men lá tỉnh Lào Cai”.
1.2Mục tiêu và yêu cầu nghiên cứu
1.2.1Mục tiêu nghiên cứu
Từ các mẫu thu thập được trên địa bàn tỉnh Cao BằngLào Cai , tiến hành phân lập, tuyển chọn chủng nấm men có hoạt lực cao trong quá tŕnh lên men rượu. Khảo sát những điều kiện môi trường thích hợp nhất cho chủng nấm men phát triển nhằm cung cấp giống cho quá tŕnh sản xuất rượu đặc sản trên quy mô lớn.
1.2.2. Yêu cầu nghiên cứu
· Phân lập được các chủng nấm men trờn cỏc mẫu men lỏ đó được thu thập.
· Tuyển chọn ra chủng có năng lực lên men cao nhất từ các chủng phân lập được.
· Khảo sát môi trường thích hợp nhất cho chủng nấm men phân lập được.
1.3. Ư nghĩa của đề tài
1.3.1. Ư nghĩa khoa học
· Sơ bộ đánh giá được trong mẫu men lỏ cú những loại vi sinh vật nào, ư nghĩa của chúng trong bánh men truyền thống, làm cơ sở cho các nghiên cứu liên quan tiếp theo.
· Biết được trong mẫu men lỏ cú những chủng nấm men nào và chủng nào có năng lực lên men tốt nhất.
1.3.2. Ư nghĩa thực tiễn
· Sau quá tŕnh nghiên cứu, tuyển chọn được các chủng nấm men có hoạt lực cao trong sản xuất cồnrượu.
· Nắm được điều kiện nuôi cấy thích hợp nhất cho chủng nấm men phát triển. Từ đó, tăng sinh chúng để lấy số lượng lớn giống cung cấp cho sản xuất rượu trên quy mô công nghiệp.





















PHẦN 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Nhiên liệu sinh học
2.1.1. Cồn sinh họcơ [17]
Cồn sinh học (Bioethanol) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia ch́. Ethanol được chế biến thông qua quá tŕnh lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose. Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành Bioethanol có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia ch́ truyền thống.
2.1.1. Lịch sử hình thành cồn sinh học
2.1.1.1. Lịch sử
Ethanol đă được con người sử dụng từ thời tiền sử như là một thành phần gây cảm giác say trong đồ uống chứa cồn. Các cặn bă khô trong các b́nh gốm 9000 năm tuổi t́m thấy ở miền bắc Trung Quốc đă gián tiếp cho thấy việc sử dụng các đồ uống chứa cồn trong số những người sống ở thời kỳ đồ đá mới. Việc chiết nó ra dưới dạng tương đối nguyên chất đă được thực hiện lần đầu tiên bởi các nhà giả kim thuậtHồi giáo và họ là những người đă phát triển ra nghệ thuậtchưng cất rượu trong thời kỳ của chế độ khalip (vua chúa Hồi giáo) thời kỳ Abbasid. Các ghi chép của Jabir Ibn Hayyan (Geber) (721-815) đă đề cập tới hơi dễ cháy của rượu được đun sôi. Al-Kindī (801-873) cũng đă miêu tả rơ ràng quá tŕnh chưng cất rượu. Việc chưng cất ờtanol ra khỏi nước có thể tạo ra các sản phẩm chứa tới 96% ờtanol. Êtanol nguyên chất lần đầu tiên đă thu được vào năm 1796 bởi Johann Tobias Lowitz, bằng cách lọc ờtanol chưng cất qua than củi.
Antoine Lavoisier đă mô tả êthanol ethanol như là một hợp chất của cacbLCon, hiđrụ và ụxy, và năm 1808,Nicolas-Théodore de Saussure đă xác định được công thức hóa học của nó. Năm 1858,Archibald Scott Couper đă công bố công thức cấu trúc của eêtanol: điều này làm cho êethanol trở thành một trong các hợp chất hóa học đầu tiên có sự xác định cấu trúc hóa học.
Etanol lần đầu tiên được tổng hợp nhân tạo vào năm 1826, thông qua các cố gắng độc lập của Henry Hennel ở Anh và S.G. Sộrullas ở Pháp. Michael Faraday đă điều chế eêtanol bằng phản ứng hyđrat hóa êetylen với xúc tác axớt năm 1828, theo một công nghệ tương tự như công nghệ tổng hợp êetanol công nghiệp ngày nay.
2.1.1.2. Sản xuất công nghiệp
Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa êetylen bằng xúc tác axớt, được tŕnh bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etilen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric:
Chất xúc tác thông thường là axít phốtphoric, được hút bám trong các chất có độ xốp cao chẳng hạn như điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đă lần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất Etanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại ụxớt kim loại khác nhau, cũng được đề cập tới trong các sách vở hóa học.
Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đă bị loại bỏ th́ Etylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra Ethyl sulfat, sau đó chất này đượcthủy phân để tạo thành Etanol và tái tạo axớt sulfuric:
Etanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm đồ uống cho con người (biến tính) do nú cú chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc hại (chẳng hạnmêthanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium- C[SUB]21[/SUB]H[SUB]29[/SUB]N[SUB]2[/SUB]OãC[SUB]7[/SUB]H[SUB]5[/SUB]O[SUB]2[/SUB]-là một chất rất đắng, gây tê). Ethanol biến tính có số UN là UN 1987 và Ethanol biến tính độc hại có số là UN 1986.
2.1.1.3 Sản xuất trong sinh học
Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ờtanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóađường trong điều kiện không có ụxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra ờtanol và cacbLCon điụxớt CO[SUB]2[/SUB]. Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:
C[SUB]6[/SUB]H[SUB]12[/SUB]O[SUB]6[/SUB] → 2 CH[SUB]3[/SUB]CH[SUB]2[/SUB]OH + 2 CO[SUB]2[/SUB]
Quá tŕnh nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu. Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất.
Để sản xuất Etanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc th́ tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha. Trong quá tŕnh nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường. Để sản xuất ờtanol làm nhiên liệu, quá tŕnh thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lư hạt với axớt sulfuric loăng, enzym nấmamylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp.
Về tiềm năng, glucoza để lên men thành ờtanol có thể thu được từ xenluloza. Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lừi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh. Cho đến gần đây th́ giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza là rất cao. Hăng Iogen ở Canada đă đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất Etanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004.
Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước.
Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza.
Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza.
Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima.
Với giá dầu mỏ tương tự như các mức giá của những năm thập niên 1990 th́ công nghệ hyđrat húa ờtylen là kinh tế một cách đáng kể hơn so với công nghệ lên men để sản xuất ờtanol tinh khiết. Sự tăng cao của giá dầu mỏ trong thời gian gần đây, cùng với sự không ổn định trong giá cả nông phẩm theo từng năm đă làm cho việc dự báo giá thành sản xuất tương đối của công nghệ lên men và công nghệ hóa dầu là rất khó.
2.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới.[19]
Theo thông tin của EU tháng1/2007 tiêu thụ năng lượng toàn cầu đă tăng lên gấp đôi từ 10 tỷ tấn qui ra dầu/năm tăng lên 22 tỷ tấn qui dầu/năm vào năm 2050.
Giáo sư Nghê Duy Đấu, Viện sĩ công tŕnh Đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh) cho biết theo Bộ Năng lượng Mỹ và Uỷ ban năng lượng thế giới dự báo nguồn năng lượng hoá thạch không c̣n nhiều: dầu mỏ c̣n 39 năm, khí thiên nhiên 60 năm, than đá111 năm. Theo Bộ Năng lượng Mỹ nhu cầu dầu mỏ thế giới ngày càng tăng.
Theo Trung tâm năng lượng ASEAN nhu cầu tiêu thụ năng lượng của khu vực này năm 2002 là 280 triệu tấn và tăng lên 583 triệu tấn vào năm 2020 . Indonesia là nước có nguồn năng lương hoá thạch lớn nhất trong các nước ASEAN, tuy nhiên hiện nay dầu mỏ dự trữ của họ chỉ c̣n trong 25 năm, khí đốt 60 năm và than đá 150 năm.
Trong những tháng gần đây giá dầu thế giới đạt ngưỡng 70 USD/thựng và với nhu cầu tiêu thụ khỏang 82,5triệu thựng/ngày trong lúc đó số lượng dầu thừa chỉ 1-2 triệu thựng/ngày, v́ vậy theo Uỷ ban quốc gia các chính sách năng lượng của Mỹ nếu chỉ 4% năng lượng thế giới bị ngừng trệ bởi thiên tai th́ giá dầu thô có thể lên đến 160USD/thựng.
Mặt khác, theo dự báo của các chuyên gia th́ sắp tới ô tô sẽ là phương tiện giao thông được ưa chuộng hơn cả mà nhiên liệu cho ô tô là xăng và dầu diesel. Ở Mỹ đă quảng cáo bán trả góp ô tô không phải trả lăi năm đầu. Hiện nay tỷ lệ sử dụng ô tô trên thế giới là 8/1000 người và dự báo là sẽ tăng lên đáng kể trong 2 thập kỷ tới, điều đó đ̣i hỏi một khối lượng nhiên liệu xăng dầu lớn.
Ngày nay do thế giới phụ thuộc quá nhiều vào dầu mỏ và giá dầu biến động liên tục theo chiều tăng và sự cạn kiệt dần nguồn năng lượng hoá thạch và khí đốt nên việc t́m kiếm các nguồn năng lượng thay thế là việc làm có tính sống c̣n trong những thập kỷ tới, trong đó có năng lượng sinh học.
Năng lượng sinh học bao gồm các nguồn năng lượng được sản xuất từ nhiều loại sản phẩm nông nghiệp khác nhau như thân, cành, vỏ, quả cơy, cỏc sản phẩm dư thừa khi chế biến nông, lâm sản, gỗ củi, phân gia súc, nước thải và bă phế thải hửu cơ công nghiệp, rỏc thải .Vỡ vậy, năng lượng sinh học là nguồn năng lượng thay thế có thể tồn tại, tái sinh và điều chỉnh theo ư muốn của con người.
Hiện có 2 dạng năng lượng sinh học chủ yếu là ethanol sinh học và diesel sinh học. Với nguyên liệu là tinh bột và đường, nhờ quá tŕnh phân giải của vi sinh vật có thể sản xuất ra ethanol, sau đó tách nước bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến tính, gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu. Diesel sinh học nói riêng hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại năng lượng tái tạo.
Mới đây tại Hội nghị năng lượng sinh học Trường đại học Georgia (Mỹ), giáo sư vật lư đă nghỉ hưu 70 tuổi - hiện là lóo lóo nụng – Zimmy Grine đă giới thiệu một loại ethanol nhiên liệu được chưng cất từ lúa ḿ và lạc. Theo tính toán về nhiệt lượng th́ 1,5 lít ethanol có thể thay thế 1 lít xăng. Nếu pha ethanol với xăng th́ tuỳ theo độ tinh khiết của chúng có thể giảm lượng xăng từ 10 đến 15% mà công suất và hiệu suất mài ṃn động cơ không đổi.
Ấn Độ dự kiến số ô tô của quốc gia này vào năm 2007 là 10 triệu chiếc và hàng năm nhu cầu nhập dầu mỏ của họ tăng khoảng 10%. Năm 2004 trong tổng số 114 triệu tấn dầu của quốc gia này có đến 75 % là nhập từ nước ngoài với số tiền là 26 tỷ USD. Trong báo cáo năm 2003 của Uỷ ban phát triển nhiên liệu sinh học của Ấn Độ cho rằng khả năng sản xuất 29 triệu lít cồn ethanol của họ đủ tạo ra hỗn hợp nhiên liệu 5% cồn cho đến kế hoạch lần thứ 12.
Braxin sản xuất 14 tỷ lít cồn (tương đương 20 vạn thùng) từ cây mía. Luật pháp nước này qui định tất cả các loại xe phải sử dụng xăng pha với 22% cồn ethanol và nước này đó cú 20% số lượng xe chỉ dựmg cồn ethanol. Chương tŕnh sản xuất cồn này của họ tạo việc làm cho 1 triệu người và tiết kiệm được 60 tỷ USD tiền nhập dầu trong 3 thập kỷ qua. Số tiền này lớn gấp 10 lần chi cho chương tŕnh trên và gấp 50 lần số tiền trợ cấp ban đầu.Từ sau 1985 sản lượng ethanol nhiên liệu đạt b́nh quân 10 triệu tấn/năm, thay thế luỹ kế 200 tấn dầu mỏ. Hiện nay toàn bộ xăng chạy ô tô của Braxin đều pha 20-25% ethanol sinh học và đó cú loại ô tô chạy hoàn toàn bằng ethanol sinh học. Năm 2005 có 70% số ụtụ đó sử dụng nhiên liệu sinh học. Lượng tiêu thụ ethnol sinh học ở quốc gia này đạt 12 triệu tấn năm 2005, thay thế 45% lượng tiêu thụ xăng và chiểm 1/3 tổng lượng tiêu thụ nhiên liệu cho các loại xe, tạo công ăn việc làm cho 700.000 người. Braxin có thể sản xuất được lượng ethanol thay thế 10% nhu cầu xăng dầu của thế giới trong ṿng 20 năm tới với lượng xuất khẩu khoảng 200 tỷ lít, so với mức 3 tỷ lít hiện nay.