Sự lên men Aceton-Butanol

I.QUÁ TRÌNH LÊN MEN:
¢ Lên men là 1 quá trình oxyhóa- khử xảy ra trong cơ thể sinh vật

¢ nhằm cung cấp năng lượng và các hợp chất trung gian cho tế bào vi sinh vật, bởi lẽ cơ thể sống luôn luôn cần năng lượng mà năng lượng đó được tàng trữ dưới dạng ATP.

¢ Các phản ứng sinh hóa trong quá trình lên men là phản ứng tách và vận chuyển hydro ở dạng ( H+, e- ) dưới tác dụng của enzyme dehydrogenase.

¢ Trong quá trình đó hydro được tách ra khỏi cơ chất chuyển đến chất tiếp nhận cuối cùng là chất hữu cơ. Hợp chất hữu cơ đó được khử tạo thành sản phẩm lên men rồi tích tụ lại trong môi trường dinh dưỡng. Tùy theo sản phẩm tích lũy nào chiếm ưu thế mà ta có lên men rượu, lên men lactic,…

¢ Vì vậy, bản chất của quá trình lên men là quá trình oxyhóa- khử, quá trình oxyhóa- khử đó lại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác dưới tác dụng của hệ thống enzyme, cho nên quá trình lên men còn được gọi là quá trình oxyhóa- khử sinh học.

¢ Trong cơ thể sinh vật, sự tích lũy năng lượng và sự giải phóng năng lượng sử dụng cho hoạt động cơ thể là những quá trình thuận nghịch theo sơ đồ sau:
Oxy hóa- khử sinh học năng lượng


ADP + H3PO4 ATP


năng lượng cung cấp cho hoạt động của cơ thể

II. CÁC VI SINH VẬT THAM GIA QUÁ TRÌNH LÊN MEN
ACETON-BUTANOL

¢ Quá trình lên men này xảy ra do hoạt động của nhóm vi khuẩn kỵ khí sinh bào tử thuộc chi Clostridium.
¢ Đặc điểm:
- Gồm các vi khuẩn Gr+
- Có tiên mao mọc quanh cơ thể
- Tế bào dinh dưỡng hình que, khi mang bào tử thì tế bào có hình thoi hoặc hình dùi trống.
- Đa số các loài Clostridium là kị khí bắt buộc, trừ một số ít loài như : C.pectinovorum, C. histolyticum
- Nhiều loại Clostridium có khả năng đồng hoá các polisacarit (tinh bột, amilozơ)
- Chứa các hạt granulozơ trong cơ thể
a. Clostridium butyricum
_Vi khuẩn có hình que, có kích thước khoảng 0.5 ´ 4 –12mm. Bào tử hình bầu dục, nằm ở giữa hoặc một đầu của tế bào. Bào tử có thể chịu đựng được khá cao đối vớI những điều kiện bất lợi của ngoạI cảnh (trong nước sôi có thể sống được đến 1-2 phút).
_Vi khuẩn lên men butyric thuộc loại kị khí bắt buộc. Chúng có khả năng lên men sinh acid đối vớI Glucose, xilulose, saccarose…Nhiệt độ thích hợp để phát triển là 30-37oC. Trong sản xuất để lên men butylic ngườI ta thường dùng rỉ đường, các nguyên liệu giàu tinh bột (khoai tây ngũ cốc) hoặc bã thái của các nhà máy bột, nhà máy sản xuất lactic.
_Quá trình lên men được tiến hành với sự có mặt của CaCO3. Acid butylic sinh ra được trung hoà thành muối canxi, sau đó người ta thêm Na2SO4 để chuyển thành muối Na của acid butylic:
(CH3CH2COO)2Ca + Na2SO4 ® CaSO3 ¯ +2 CH3CH2CH2CONa
Cuối cùng dùng H2SO4 để tách acid butylic ra.
_Vi khuẩn Clostridium butylicum phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Chúng có thể phát triển và làm ảnh hưởng tớI một số quá trình lên men khác (như quá trình sản xuất rượu , bia, men ăn…)Acid butylic còn là một trong những nguyên nhân tẹưc tiếp trong việc làm hư hỏng rau quả, thịt cá, đồ hộp ( các sản phẩm lên men butylic sẽ có mùi chua úng).
b. Clostridium acetobutyricum
_Clostridium acetobutyricum là vi khuẩn gram dương, có khả năng sinh bào tử, là vi khuẩn kị khí bắt buộc và sản sinh ra butanol, acetone, và ethanol.. Vi khuẩn có hình que kị khí, có khả năng di động, kích thước khoảng 0.6 –0.72 ´ 2.6 –4.7 mm. Nhiệt độ thích hợp với loài là 38oC.
_Vi khuẩn acetobutyricum phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên, nhất là trong bùn ruộng, bùn ao. Chúng có thể lên men sinh acid đối với các đường arabinose, xilose, ramnose, glucose, galactose, mannit, fructose, lactose, rafinose, tinh bột, dextrin, inulin, glycogen, mannitol…Để lên men acetone-butyric người ta thường sử dụng môi trường chứa 5-6% tinh bột ( vì ngô chưa khoảng 65% tinh bột cho nên thường được dùng với nồng độ 8-10%). Từ 100kg tinh bột thường có thể thu hoạch được khoảng 37-40kg dung môi.

III. CƠ CHẾ CỦA SỰ HÌNH THÀNH CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN Ở MỘT SỐ LOÀI VÀ ỨNG DỤNG
**Sự tạo thành Aceton
Từ Glucose chuyển hóa thánh Acetyl-CoA, chất này sau đó được chuyển hóa thành Acetoacetyl- CoA nhờ Enzyme tiolase. Dưới tác dụng của enzyme Acetoacetyl-CoA transferase; Acetoacetyl-CoA đươc chuyển hóa thành Acetoacetic. Sự loại bỏ CO2 của Acetoacetic khi được xúc tác bởi enzyme acetoacetic decaboxylase dấn đến sự tạo Enzyme này đã được thuần khiết. nó có pH tối ưu vào khoảng 5.0. Sự tạo thành Acetone qua acetoacetyl-CoA không tiêu thụ NADPH nên vi khuẩn chỉ có thể sản sinh acetone ở một mức độ giới hạn và phản ứng có thể bị tiêu giảm khi nồng độ Fe bị hạn chế trong tế bào hoặc do hidrogenase bị CO ức chế.
Ở một số chủng Clostridium beijerinkii, đã phát hiện thấy enzyme butanol-etanol-isopropanol dehidrogenase, acetone sẽ được khử thành isopropanol nhờ enzyme này.
Ưng dung:
Acetone là một dung môi quan trọng được sử dụng nhiều trong các ngành sản xuất thuốc nổ, chất dẻo, tinh luyện dầu hoả, chiết rút dầu thực vật, xử lý phim ảnh, chế tạo chất thơm.. Và còn được dùng nhiều trong phân tích hoá học và trong nghiên cứu khoa học.
**Sự tạo thành butanol và acid butyric
Từ nhánh acetoacetyl-CoA nhận H2 nhờ enzyme β- Hydroxibutiryl CoA hydrogenase tạo thành β- Hydroxibutiryl CoA . Sau đó loại H2O dưới tác dụng của enzyme crotanase tạo thành crotonyl-CoA. Nhờ enzyme butyryl-CoA hydrogenase chuyển thành Butyryl-CoA .
_Butyryl-CoA chuyển nhóm Co-A tạo thành Butyric nhờ enzyme Butyric transferase
_Mặt khác butyryl-CoA vừa nhận H2 và đồng thời tách nhóm Co-A tạo thành Butyraldehit. Chất này sau đó nhận H2 tạo thành butanol.
Ưngs dụng
_Butanol được sử dụng cho việc điều chế các ester butanoat khác nhau. Các ester có phân tử lượng thấp như metyl butanoat có mùi thơm dễ chịu nên chủ yếu được dùng làm phụ gia trong thưc phẩm và nước hoa.
_ Butanol là dung môi rất phổ biến để hoà tan chất sơn, c ất màu, chất béo, nhựa sáp…Và là nguyên liệu để tổng hợp butadien dùng trong tổng hợp cao su nhân tạo.

Sơ đồ cơ chế:

Acetyl-CoA

CO2 Tiolase
Transferase
CH3- CO- CH2- CO- SCoA CH3- CO- CH2- COOH
(Acetoacetyl CoA ) (Acetoacetic)
2│H│ hydrogenase dehydrogenase
CO2
CH3- CO- CH3


CH3- CHOH- CH2- CO- SCoA
( β- Hydroxibutiryl CoA)
(Aceton)
2│H│ H2O crotonaza hydrogenase
CH3-CH= CH- CO- SCoA
CH3- CHOH- CH3
(Crotonyl CoA ) (Izopropanol)

2│H│ hydrogenase

CH3- CH2- CH2- CO- SCoA
(Butiryl CoA)





CoA
CH3­-CH2-CH2-CHO CH3-CH2-CH2-COOH
(Butiraldehit) (Acid Butiric)



CH3-CH2-CH2-CH2OH
(Butanol)
IV.Sơ đồ kỹ thuật sản xuất acetone-butyric:


Nguyên liệu Vi khuẩn acetone-butyric

Nước Trộn với nước


Dịch hồ nhân giống trong dịch cháo đã tiệt trùng
Hơi Nấu và thanh trùng


Nước Làm nguội


Khí Lên men
CO2 + H2


Giấm chin


Nước Chưng luyện Bã


Hơi acetone butanol isopropanol



































Nguyên liệu để sản xuất acetone-butyric bằng phương pháp lên men là tinh bột (các nguyên lieu có tinh bột). Yêu cầu đối với nguên lieu là có Glucid, nitơ và phosphor. Do đó bột các hạt ngũ cốc là nguyên liệu hoàn hảo có chuwá tất cả các thành phần cần thiết cho sự lên men. Rỉ đường và các dịch thủy phân gỗ, rơm, bẹ ngô.. là nguyên liệu không thầy đủ bắt buộc phải trộng với bộn ngũ cốc.
Nồng độ dịch hò để lên men không cao :8-10% tính theo chất khô hoặc 4-6% theo tinh bột.. Vì lẽ lượng butanol, acetone và etanol tạo ra chỉ tỉ lệ với nồng độ Glucid trong giới giạn nồng độ 5.5-6%. Nồng độ Glucid cao hơn sẽ thừa lại và không được lên men. Khi nồng độ butanol đại đến xấp xỉ 1.5% (tương ưng với nồng độ ban đầu của Glucid là 6%) thì quá trình lên men dung.
_Nhiệt độ để lên men thích hợp cuar vi khuân là 36-37oC
_Qúa trình lên men acetone-butylic có thể chia thành 2 thời kỳ:
+Thời kì đầu trong môi trường lên men tích tụ acid
+Trong kì sau độ acid chuẩn ở trong môi trường lên men bị giảm nhanh; giảm đi gần một nưả so với giá trị cưc đại ở cuối thời kì lên men đầu. Đồng thời cũng xảy ra sự chuyển hóa một cách nhanh chóng các acid thành nhuwngx hợp chất trung tính tương ưng: Acid butyric bị khử thành rươuj, còn acid acetic bị chuyển hóa thành acetone. Tiếp đó độ acid chuẩn có tăng lên một ít, còn vận tốc tạo ra dung môi dần dần bị chậm lại và đến cuối thời kì lên men thì ngưng hoàn toàn.
Trong quá trình lên men còn kèm theo sư thoát khis CO2 và H2. Qua 5-6 giờ đầu sự thoát khí còn chậm chạp, sau đó thì tăng nhanh rồi đạt đến cực dại. Và tiếp đến lại giảm một cách mau lẹ và quá trình ngừng. Các khí này được dẫn từ các thùng lên men vào các thiết bị gom khí rồi sau đó thải ra không khí.
Sau khi lên men xong thì dấm chin được bơm vào thiết bị chưng cất để tách mỗi thứ ra khỏi hỗn hợp.




Tài liệu tham khảo:
o Hóa sinh công nghiệp – Lê Ngọc Tú
o Giáo trình Vi sinh vật học công nghiệp – Kiều Hữu Ảnh
o Vi sinh vật – Nguyễn Lân Dũng
o Bài giảng Vi sinh vật đại cương – Nguyễn Minh Trí
o Bài giảng Vi sinh vật thực phẩm – Nguyễn Minh Trí







NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN Đánh giá

¢ Mạch Trần Phương Thảo 4913042150

¢
¢ Phạm Thị Minh Phương 4913042141

¢
¢ Trần Thị Liên 4913042121

¢
¢ Võ Thị Kim Ngọc 4913042131

¢
¢ Lê Hoài Diễm 4913042091

¢
¢ Nguyễn Cát Thảo Linh 4913042123

¢
¢ Lê Thị Bích Như 4913042134

¢
¢ Hoàng Thị Diệu
¢


 

Facebook

Thống kê diễn đàn

Threads
11,649
Messages
71,548
Members
56,917
Latest member
sv368net
Back
Top