Tiểu luận Sản xuất Acetone - Butanol

này là rất có lợi trong sản xuất. Vi sinh vật: Các vi sinh vật có thể sử dụng trong lên men acetone – butanol là: Clostridium acetobutylicum Clostridium beijerinckii Clostridium tetanomorphum Clostridium aurantibutyricum Vi khuẩn thưòng dùng phổ biến trong lên men acetone-butanol là Clostridium acetobutylicum (hay C. saccharo – acetobutylicum). Loài này thường lên men acid đối với các đường arabinose, xilose, galacrose, fructose, tinh bột, lactose, dextrin, manitol… Giới: Bacteria Ngành: Firmicutes Lớp: Clostridia Bộ: Clostridiale Họ: Clostridiaceae Giống: Clostridium Loài: C. acetobutylicum Đây là những trực khuẩn G(+), kỵ khí bắt buộc, có khả năng tạo bào tử, có khả năng di động bằng các tiêm mao bao phủ khắp thân, kích thước khoảng 0.6 – 0.71× 2.6× 4.7 µm. Tế bào sinh dưỡng hình que nhưng vì bào tử có kích thước lớn hơn chiều ngang của tế bào sinh dưỡng nên khi mang bào tử, tế bào sẽ có dạng hình thoi hay dùi trống. C.acetobutylicum được phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, nhất là trong bùn. C.acetobutylicum phát triển tối ưu ở nhiệt độ 37oC. Clostridium acetobutylicum là một chemoorganotroph (là loại tự dưỡng, sử dụng các hợp chất hữu cơ ở trạng thái khử làm nguồn cung cấp điện tử và H+). Nó tạo ra năng lượng thông qua quá trình phosphoryl hóa cơ chất bởi sự lên men. Trong quá trình lên men, cơ chất là những phân tử hữu cơ, đóng vai trò là những chất cho và nhận electron. Đặc biệt, Clostridium acetobutylicum cần nguồn carbohydrate để có thể chịu đựng và sống sót trong điều kiện lên men, nó có khả năng đồng hóa polysaccharide. Người ta nhận thấy hàm lượng flavin trong vi khuẩn này đạt tới mức khá cao và không thấy chứa cytocrom và enzyme catalase, một enzyme quan trọng của vi sinh vật hiếu khí giúp chuyển hóa những sản phẩm phụ độc hại thành nước và oxy. Clostridium acetobutylicum có khả năng cố định Nitơ trong không khí. Vào giai đoạn phát triển ban đầu, C. acetobutylicum là vi khuẩn gram dương nhưng nó chuyển thành gram âm khi già. Việc gia tăng khả năng di động của giống này làm tăng sự sản xuất dung môi. Những chất kích thích bao gồm butyric acid và đường. C. acetobutylicum đặc biệt bị ức chế bởi acetone, butanol và ethanol. Cơ chế này hoàn toàn hợp lý cho phép tế bào nhận chất dinh dưỡng và loại ra những sản phẩm phụ bởi cơ chế trao đổi chất của nó. Những nghiên cứu có liên quan đã tìm được con đường trao đổi chất của Clostridium acetobutylicum để tăng hiệu quả của quá trình lên men công nghiệp. Những sản phẩm dung môi acetone, acetate, butanol, butyrate và ethanol đều xuất phát từ acetyl-CoA. Ngoài ra còn tạo ra H2 và CO2. Ngoài ra, những sản phẩm phụ khác nhau được tạo ra ở những pha khác nhau trong quá trình phát triển của C. acetobutylicum. Trong pha log, sản phẩm chủ yếu là acetate, butyrate và xảy ra sự cố định nitơ. Sau 18 giờ, butanol và acetone được tạo ra tối đa. Sự phân chia thời gian của việc cố định nitơ và việc tạo ra dung môi là cần thiết để tránh sự cạnh tranh của những chất khử trong hai quá trình. Hình 2: Vi khuẩn Clostridium acetobutylicum Tiêu chí chọn giống: Không có khả năng sinh tổng hợp độc tố. Có khả năng sinh tổng hợp các sản phẩm chính cao, cụ thể ở đây là butanol và acetone. Có khả năng thích nghi cao, bảo toàn hoạt tính. Tốc độ sinh trưởng càng nhanh càng tốt nhằm lấn át sự phát triển của những vi sinh vật nhiễm, rút ngắn thời gian lên men, cho hiệu quả kinh tế cao. Điều kiện nuôi cấy đơn giản. Môi trường nuôi cấy rẻ tiền, dễ kiếm. Giống phải có khả năng sử dụng các nguồn nguyên liệu rẻ tiền như các phụ phẩm, các nguyên liệu thô... Lên men Acetone – Butanol (AB) bằng vi khuẩn Clostridium acetobutyricum C.acetobutylicum sẽ phân giải glucose theo con đường EMP. Acetate được tạo thành từ acetyl – coA có thể được chuyển thành acetone, butanol và ethanol. Nhưng butyrate được tạo thành từ butyryl – coA chỉ được dùng để sản xuất butanol, do không có con đường nào sinh ra acetyl – coA từ butyryl – coA. Cốt lõi của quá trình lên men AB là chuỗi phản ứng tạo ra butyryl – coA từ acetyl – coA. Vi khuẩn C.acetobutylicum khi lên men glucose đầu tiên sẽ làm sinh ra acetate, butyrate. Nhưng sau đó, cùng với việc acid hóa môi trường sẽ bắt đầu xảy ra việc tổng hợp một số enzyme, trong đó cả enzyme acetoacetatdecarboxilase. Dưới tác dụng của enzyme này, acetone và butanol sẽ được tích lũy lại trong môi trường. Vì vậy, giai đoạn đầu của quá trình (tích tụ acid) người ta gọi là lên men acid, giai đoạn sau là lên men rượu. Quá trình lên men acetone-butanol có thể chia làm hai thời kỳ: Ở thời kỳ đầu, trong môi trường lên men tích tụ acid (nên có tên gọi là lên men acid), song thời kỳ thứ hai thì trong môi trường tích tụ butanol, ethanol và acetone (nên có tên gọi là lên men rượu). Trong thời kỳ thứ hai này, xảy ra sự chuyển hoá một cách nhanh chóng các acid thành những hợp chất trung tính tương ứng: acid butyric bị khử thành batanol, acid acetic chuyển hoá thành acetone nên độ acid chuẩn ở trong môi trường lên men bị giảm nhanh: giảm đi gần một nửa so với giá trị cực đại ở cuối thời kì đầu. Tiếp đó, độ acid chuẩn sẽ tăng lên một ít, vận tốc tạo dung môi dần dần chậm lại, đến cuối thời kì lên men thì ngừng hoàn toàn. Quá trình lên men này còn kèm theo sự thoát khí CO2 và H2, những khí này sẽ vào thiết bị gom khí rồi thải ra không khí. pH của quá trình khoảng 4.5-5.5. Nước: Nước ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất lên men cùng chất lượng sản phẩm thu được và thường cần một lượng rất lớn trong quá trình lên men. Yêu cầu về nước dùng để pha chế môi trường dinh dưỡng: Nước dùng trong quá trình lên men phải là nước sạch và mềm. Các chỉ số quan trọng của nước là: độ cứng, độ oxy hóa và vi sinh vật. Độ cứng thể hiện ở ion Ca2+ và Mg2+ trong nước. Các muối bicarbonate của 2 ion này tạo nên độ cứng tạm thời cho nước, khi đun sôi chúng tạo thành dạng carbonate và lắng cặn dưới đáy. Còn các muối của các ion này như: Cl-, SO42-, NO3- thì tạo nên độ cứng vĩnh cửu cho nước và không thể mất đi trong quá trình gia nhiệt cho nước. Độ cứng của nước tính bằng mg đương lượng cho một lít nước. 1 mg đương lượng = 20.04 mg Ca2+ hoặc 12.16 mg Mg2+/l Độ oxy hóa thể hiện bằng số mg O2/l. Chỉ số vi sinh vật cho biết mức độ nhiễm bẩn của nước, được thể hiện bằng tổng số vi sinh vật có trong một lít nước mà tiêu biểu là vi khuẩn E.coli. Nước dùng trong lên men phải đạt tiêu chuẩn làm nước uống và không có mùi vị, không màu, trong suốt và đặc biệt là không có sắt và mùi amoniac, không có các kim loại nặng. Nước phải đạt chỉ tiêu sau đây mới được dùng trong quá trình lên men: Độ cứng chung (mg – đương lượng) ≤ 7 Hàm lượng muối carbonate ≤ 50 mg/l Hàm lượng muối Mg ≤ 100 mg/l Hàm lượng muối clorua: 75 – 150 mg/l Hàm lượng muối CaSO4: 130 – 200 mg/l Hàm lượng Fe2+ ≤ 0.3 mg/l Khí NH3 : không có Các muối có gốc NO3-, NO2-: không có Vi sinh vật ≤ 100 tế bào/1 cm3 Nước không đạt yêu cầu, trước khi đưa vào lên men cần phải lọc qua cát sỏi, phun mù để khử sắt và làm mềm nước bằng cách hấp phụ qua nhựa trao đổi ion. Các chất dinh dưỡng cần bổ sung: Cần bổ sung nguồn Nitơ : nguồn Nitơ ở đây có thể sử dụng hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ. Ta có thể sử dụng peptone, dịch chiết nấm men, các loại muối ammonia như amoni sulfate, amoni clorua, amoni nitrate, amoni acetate, amoni hydroxyde. Theo một số tài liệu cần bổ sung nguồn Phospho là superphosphate với hàm lượng 1%, nhưng đa số tài liệu lại không bổ sung nguồn Phospho. Cần bổ sung thêm nguồn Canxi để làm chất ổn định trong quá trình lên men. Do trong quá trình lên men, pH giảm đến một giới hạn nào đó sẽ ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật, làm cho quá trình lên men ngừng lại, nên ta bổ sung nguồn Canxi để giữ pH của môi trường ổn định trong suốt quá trình lên men. Nguồn Canxi sử dụng ở đây là CaCO3. QUY TRÌNH SẢN XUẤT Sơ đồ khối: Trong báo cáo này, chỉ trình bày quy trình sản xuất từ rỉ đường theo phương pháp lên men gián đoạn.(đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp) Lên men Chưng cất CO2 + H2 Butanol Acetone Ethanol Bã Clostridium acetobutyricum Nhân giống (NH4)2SO4, CaCO3 Bổ sung chất dinh dưỡng Rỉ đường Pha loãng Tiệt trùng Làm nguội Cấy giống Giải thích quy trình: Pha loãng: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Nồng độ cơ chất cao sẽ ức chế tế bào vi khuẩn. Do độc tính tự nhiên của butanol ức chế sự tạo thành dung môi ngay cả khi ở nồng độ rất thấp (khoảng 1 – 1.5% v/v), nên nồng độ cơ chất trong thùng lên men cũng giới hạn < 80 g/l. Đồng thời, nếu nồng độ cơ chất cao sẽ dư thừa làm cho quá trình lên men không đạt hiệu quả kinh tế và tăng yêu cầu phải xử lý nước thải. Do đó, rỉ đường trước khi được sử dụng làm cơ chất cho quá trình lên men cần được pha loãng bằng nước mềm. Các biến đổi: Vật lý: giảm nồng độ cơ chất, tăng thể tích dung dịch Hóa lý: độ nhớt giảm. Thiết bị: sử dụng thùng có cánh khuấy Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Nước và rỉ đường được cho vào thùng sử dụng cánh khuấy. Nồng độ pha loãng thường là 5.0 – 7.5% w/v, có thể sử dụng 6% w/v (tương ứng với 60 g/l). Bổ sung chất dinh dưỡng: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Trước đây, nguyên liệu chính để sản xuất butanol và acetone bằng phương pháp lên men là tinh bột (được lấy từ các nguồn nguyên liệu giàu tinh bột). Yêu cầu chung đối với nguyên liệu là có glucid, Nitơ và Phospho. Do đó, các hạt ngũ cốc là nguồn nguyên liệu hoàn hảo có chứa các thành phần cần thiết cho sự lên men. Rỉ đường như đã nói ở trên cũng như các dịch thủy phân gỗ, rơm, bẹ ngô... là nguồn nguyên liệu không đầy đủ. Mật rỉ cung cấp toàn bộ nguồn Carbohydrate cho quá trình lên men, ngoài ra mật rỉ cũng cung cấp nguồn Nitơ, Phospho và chất ổn định, nhưng chỉ ở dạng vết. Vì vậy, muốn cho quá trình lên men xảy ra tốt, vi khuẩn có thể phát triển, ta bắt buộc phải bổ sung chất dinh dưỡng. Biến đổi: Hoá học: thay đổi thành phần hoá học các chất Phương pháp thực hiện: Bổ sung nguồn Nitơ: Nguồn Nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH3 và NH4+. Nguồn thức ăn Nitơ là rất phong phú, có thể từ pepton, dịch thuỷ phân, muối amon của acid hữu cơ, nhưng nếu sử dụng nguồn này thì giá thành rất đắt, chỉ dùng trong phòng thí nghiệm. urease Vì thế, nguồn Nitơ ở đây là các muối ammoni vô cơ như ammoni sulfate, ammoni nitrate, ammoni clorua, ammoni hydroxyde, ammoni acetate, urê. Urê là nguồn thức ăn trung tính về mặt sinh lý. Khi bị phân giải bởi enzym urease, urê sẽ được phân giải thành NH3 và CO2 . Phần NH3 được vi sinh vật sử dụng mà không làm chua môi trường như các loại muối amon khác NH2 –CO – NH2 + H2O 2 NH3 + CO2 Ngoài ra, cũng có thể sử dụng bột đậu hay khô lạc để làm nguồn bổ sung Nitơ. Các hợp chất Nitơ được dùng để cung cấp dinh dưỡng và chỉnh pH Bổ sung nguồn Canxi: Canxi đóng vai trò là chất đệm trong quá trình lên men. Nguồn Canxi thường sử dụng là CaCO3. Thông số công nghệ: Nguồn Nitơ sử dụng là nguồn Nitơ vô cơ từ muối (NH4)2SO4Cứ 100g/l dịch rỉ đường, ta bổ sung 2g/l (NH4)2SO4 là nồng độ tối ưu cho hiệu suất lên men cao. Thông thường ta sử dụng dung dịch ammoni sulphate 25%. Ngoài ra cứ 100g/l dịch rỉ đường, ta bổ sung 1 – 1.8 mg/l CaCO3 Thiết bị: Sử dụng thùng có cánh khuấy nhằm mục đích đảo trộn để được hỗn hợp đồng nhất. Tốc độ cánh khuấy là 150 – 200 rpm (vòng/phút). Rỉ đường sau khi pha loãng, được bổ sung các thành phần khác và khuấy trộn để tạo hỗn hợp đồng nhất. Tiệt trùng Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Rỉ đường nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật cao. Trong đó nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic, acetic và các nhóm mang bào tử. Mức độ nhiễm khuẩn được xác định bằng sự tăng độ chua, khi đó rỉ đường “tự lên men”. Mức tăng độ chua ( khi tự lên men sau 24h) trong phạm vi 0,2 – 0,50 được xem là bình thường. Thực tế trong 1g rỉ đường chứa tới 105 vi sinh vật không nha bào (bào tử) và 15000 vi sinh vật có khả năng tạo bào tử. Ở rỉ đường bị nhiễm nặng, con số vi sinh vật có thể đạt tới 5x104 và 50x104. Tuy nhiên đối với rỉ đường có nồng độ trên 70% hầu hết vi sinh vật trong rỉ đường đều chịu nằm yên nhưng khi pha loãng chúng sẽ bắt đầu hoạt động và làm giảm hàm lượng đường dẫn đến tăng tổn thất. Trong quá trình sản xuất cần có biện pháp xử lý phù hợp nhằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của các loại tạp khuẩn này. Mục đích của quá trình tiệt trùng là để tiêu diệt các vi sinh vật trong cơ chất, chuẩn bị cho quá trình lên men. Các biến đổi: Sinh học: toàn bộ vi sinh vật bị tiêu diệt Hóa sinh: enzyme bị vô hoạt bất thuận nghịch Vật lý: nhiệt độ tăng Hóa lý: nước bốc hơi, đông tụ những hợp chất keo, độ nhớt giảm. Hóa học: mất đi một số cấu tử mẫn cảm với nhiệt do nhiệt độ cao, có thể xảy ra phản ứng Maillard. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Rỉ đường sau khi được trộn với chất dinh dưỡng được đem đi tiệt trùng. Nhiệt độ 115 – 1280C, thời gian 4 phút. Thiết bị: Sử dùng thiết bị tiệt trùng dạng bản mỏng. Hỗn hợp được bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng cùng với dòng nóng. (theo như trên hình thiết bị, 2 dòng đi vào với 2 mũi tên khác nhau). Nhiệt độ hỗn hợp tăng nhanh. Hình 3: thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng Làm nguội: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình cấy giống để tiến hành lên men Các biến đổi: Vật lý: nhiệt độ giảm Hóa lý: độ nhớt tăng Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Dung dịch sau khi được tiệt trùng bản mỏng được làm nguội đến 340C Thiết bị: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng. Dung dịch được dẫn vào thiết bị bản mỏng vô trùng và trao đổi nhiệt với dòng lạnh. (tương tự như trên nhưng thay dòng nóng bằng dòng lạnh) Nhân giống và cấy giống: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Cấy giống vi sinh vật từ ống giống thuần khiết vào môi trường dinh dưỡng vô trùng và nuôi trong điều kiện phòng thí nghiệm. sau đó tiến hành cấy giống từ lưọng môi trường ít sang lượng môi trường nhiều dần nhằm tăng số lượng giống thu được. Canh trường C.acetobutylicum thường được giữ dưới dạng bào tử trong đất hoặc cát vô khuẩn. Canh trường được chuẩn bị cho quá trình lên men bằng cách hoạt hóa nhiệt bào tử ở 65-100oC từ 1 – 3 phút, sau đó cấy vào thùng lên men với nồng độ từ 2 – 4% thể tích môi trường dinh dưỡng Hỗn hợp sau khi làm nguội được chuyển vào thùng lên men đã được tiệt trùng bằng hơi nước và cho thêm Ca(OH)2 để điều chỉnh pH = 6.0 – 6.3. Thùng lên men được đổ đầy 90-95% sức chứa. Sục khí CO2 vô trùng vào bình nhằm trộn lẫn các thành phần và làm giảm thế oxy hóa khử, tạo điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt. Phải tiến hành trong điều kiện vô trùng để tránh sự nhiễm vi sinh vật khác vào bình lên men. Thiết bị: sử dụng thùng có cánh khuấy đã tiệt trùng bằng hơi nước Lên men: Mục đích: khai thác Mục đích của quá trình lên men là để chuyển rỉ đường thành sản phẩm mong muốn là acetone và butanol. Thông qua sự trao đổi chất của vi khuẩn C.acetobutylicum mà trong môi trường tích tụ các sản phẩm lỏng như acetone, butanol, ethanol và các sản phẩm khí CO2 và H2. Ngoài các sản phẩm chính còn có acid butyric, acid lactic, acid formic, acetylmethylcarbinol và hexanol... Các biến đổi: Hóa học và hóa sinh: xảy ra các phản ứng theo chu trình EMP làm thay đổi thành phần hóa học, tạo khí, tạo những hợp chất mới, pH thay đổi, đường giảm. C6H12O6 à 2 C3H6O3 CH3COCH(OH)2 à CH3CHO + HCOOH Hydrat metylglioxal aldehyde acetic acid formic Phản ứng tách Hydro: HCOOH à CO2 + 2H CH3CHO + H2O à CH3CH(OH)2 à CH3COOH + 2H Acid acetic Phản ứng ngưng tụ: CH3CHO + CH3CHO à CH3CHOHCH2CHO ↔ CH3CH=CHCH(OH)2 à CH3CH2CH2COOH Aldehyde crotonic acid butyric CH3COOH + CH3COOH à CH3C(OH)2CH2COOH ↔ H2O + CH3COCH2COOH à CH3COCH3 acetone Phản ứng hydro hoá: 2H à H2 CH3CHO + 2H à CH3CH2OH CH3CH2CH2COOH + 4H à CH3CH2CH2CH2OH + H2O butanol CH3COCH3 + 2H à CH3CHOHCH3 Các acid acetic và acid butyric chỉ là những sản phẩm trung gian của sự lên men: acid butyric bị khử thành butanol, acid acetic bị chuyển hoá thành acetone. Trong quá trình lên men, acid butyric bị mất đi nhanh hơn acid acetic, do đó lượng butanol tạo thành lớn hơn lượng acetone. Hiệu suất của các sản phẩm trung tính sẽ thu được cao khi tỉ lệ giữa glucid và protein là 5:1 đến 10:1. Tỉ lệ glucid: protein tốt nhất là 5.5:1. Thấp hơn tỉ số đó sẽ thuận lợi cho việc tạo acetone; cao hơn tỉ số đó ethanol tạo ra sẽ lớn còn acetone sẽ ít. Thường hiệu suất acetone cao đi kèm với độ acid chuẩn được lớn. Các nhân tố xúc tiến hình thành acetone một cách mạnh mẽ sẽ dẫn đến giảm hiệu suất của ethanol. Như vậy, sự tạo ra acetone- butanol được quyết định bởi sự phân ly của acid, tỉ lệ glucid và protein trong dịch lên men. Sinh học: vi sinh vật phát triển Vật lý: nhiệt độ tăng Hóa lý: CO2 hòa tan vào dung dịch làm đông tụ những hợp chất keo. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Quá trình lên men diễn ra trong điều kiện hoàn toàn kỵ khí và vô trùng. Điều chỉnh áp suất trong bình lên men là 35 kPa. Sự duy trì áp suất này làm giảm khả năng bị nhiễm trong quá trình lên men. Quá trình lên men thực hiện ở 31 – 32oC, pH đầu = 6.0 – 6.3 trong vòng từ 30 – 50h, với hiệu suất 31 – 32% (so với đường lên men). Thông thường, quá trình lên men được tiến hành trong 30h. Theo thực nghiệm, quá trình lên men tạo ra dung môi nhiều nhất diễn ra trong khoảng từ 1-2h. Giai đoạn lên men đầu được đặc trưng bằng sự giảm pH và tăng lượng acid. Giai đoạn này kéo dài 18h với nồng độ đường giảm liên tục. Sau 18h, pH đạt đến điểm cực tiểu và tăng trở lại cùng với sự giảm nồng độ acid, do sự tạo thành dung môi. H2 và CO2 sinh ra trong quá trình lên men xấp xỉ nhau về thể tích. Trong giai đoạn cuối, dung môi không được tạo ra và pH cuối cùng đạt 5.8. Khí ngừng sinh ra sau 29 – 33h lên men, đây là dấu hiệu quá trình lên men kết thúc. Từ giờ lên men thứ sáu, cần lấy mẫu để kiểm tra dưới kính vi về số tế bào vi sinh vật, số tế bào tạp nhiễm và đo tốc độ tạo khí. Nồng độ dung môi thu được có thể đạt 18 – 22g/l, gồm có 13.7 g/l butanol, 5.4 g/l acetone, 1.5g/l ethanol, 0.2 g/l acid butyric, 0.3g/l acid acetic, tỉ lệ sản phẩm butanol : acetone : các sản phẩm khác là 6 : 3 : 1, trong đó tính theo tỷ lệ phần trăm (v/v) là butanol 59 – 67 %, acetone 30 – 38 % và ethanol chiếm khoảng 3 %. Theo thực nghiệm, một thùng lên men chứa dung tích dịch lên men là 90000l thì lượng giống cấy vào khoảng 3500 l, chứa khoảng 5850 kg đường, mất mát 53 – 59 % khối lượng đường do sinh ra CO2 (2900 kg) và H2 (117 kg), 32 % khối lượng đường chuyển thành dung môi (butanol 1053 kg, acetone 526 kg, ethanol 175 kg), 6 % chuyển thành sinh khối, 3 % chuyển thành acid và một số hoạt động trao đổi chất khác. Thiết bị: Sử dụng thùng có cánh khuấy. Trên nắp bình có đường ống để cấp lượng giống cấy, có cửa kính để quan sát. Thiết bị có gắn với đường ống sục khí. Thân thiết bị có gắn bộ phận dò nhiệt độ, pH nối với máy tính. Hình 4: thùng lên men có sử dụng cánh khuấy, bộ phận dò nhiệt độ Chưng cất Mục đích: khai thác Quá trình chưng cất nhằm thu nhận từng sản phẩm riêng biệt. Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( Δ to sôi ) bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ. Bảng 7: nhiệt độ sôi của một số chất trong quá trình chưng cất Acetone Ethanol Isopropanol Butanol Nhiệt độ sôi (oC) 56.53 78.3 82.4 117.73 Trong quá trình chưng cất, các cấu tử được đun đến nhiệt độ sôi, chúng bay hơi sau đó lại được ngưng tụ từ đó ta nhận được chất lỏng. Ở các nhiệt độ sôi khác nhau ta tách được các cấu tử riêng biệt. Các biến đổi: Hóa lý: thay đổi pha. Vật lý: nhiệt độ tăng, thay đổi tỉ trọng, khối lượng, thể tích. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Khi kết thúc quá trình lên men, hỗn hợp được bơm vào tháp chưng cất để chưng cất liên tục. Hỗn hợp được bơm với tốc độ không đổi vào tháp chưng cất. Hơi bay lên từ thiết bị chứa xấp xỉ 70% khối lượng nước và 30% ABE (Acetone – Butanol – Ethanol), sau đó hỗn hợp này được tách ra bởi một dãy ba cột chưng cất gắn liền với nồi ngưng tụ và thiết bị lắng (decanter). 99.5% khối lượng acetone thu được ở đỉnh của cột chưng cất đầu tiên. Cột này vận hành ở 0.7 atm do đó dòng hơi áp suất thấp có thể được thu hồi và sử dụng lại trong những nồi đun (tinh chế). Sản phẩm đáy từ cột acetone được nhập liệu vào cột chưng cất kế tiếp đang vận hành ở 0.3 atm, 95% hỗn hợp ethanol và isopropanol được tách ra. Hỗn hợp ở đáy tháp lại tiếp tục qua cột chưng cất thứ 3 để thu được butanol. Ta thu được 3 dòng sản phẩm: butanol, acetone và hỗn hợp chứa ethanol và isopropanol chứa trong 3 thùng riêng biệt. Sau đó, tinh chế từng sản phẩm bằng tháp chưng cất cùng với nồi ngưng tụ để thu được butanol và acetone có độ tinh sạch cao. Phần dung dịch còn lại gồm acid acetic, acid butyric, tế bào vi khuẩn, protein, chất khô không lên men trong rỉ đường, được làm bay hơi đến 50% khối lượng chất khô bằng thiết bị bốc hơi nhiều bậc, sau đó được sấy đến 85% khối lượng chất khô bằng một thiết bị sấy thùng quay. Lượng bã này còn chứa riboflavin, các loại vitamin B và các yếu tố sinh trưởng nên dùng làm thức ăn gia súc. Thiết bị: Thiết bị chưng cất thường ở dạng những cột hình trụ đứng, được gọi là những tháp chưng cất với đường kính từ 65cm - 6m, chiều cao từ 6m - 60m hoặc hơn. Thiết bị sử dụng là tháp mâm gồm nhiều mâm, trên đó có các lỗ. Hình 5 : Cấu tạo của một thiết bị chưng cất Thu hồi khí CO2 CO2 sinh ra với số lượng lớn được thu hồi thành sản phẩm. Khí sinh ra trong suốt quá trình lên men được chuyển qua tháp rửa, để tách vi lượng dung môi. CO2 sau đó được thu hồi bằng phương pháp hấp thụ và giải hấp bằng K2CO3. Thông thường người ta kết hợp CO2 sinh ra trong quá trình lên men acetone – butanol và quá trình lên men ethanol, nén lại tinh sạch , sau đó dẫn qua than hoạt tính và silica gel, rồi hóa lỏng. Sau khi thu hồi CO2, phần khí còn lại chứa 80% H2 và 20% CO2 theo thể tích và được đưa vào không khí SẢN PHẨM: Acetone và butanol là những sản phẩm rất quý đối với ngành công nghệ hóa học. Sản phẩm thu được phải trong suốt, không màu. Acetone là dung môi quan trọng được sử dụng nhiều trong các ngành sản xuất thuốc nổ, chất dẻo, tinh luyện dầu hỏa, chiết rút dầu thực vật, xử lý phim ảnh, chế tạo chất thơm. Acetone còn được dùng nhiều trong phân tích hóa học, trong nghiên cứu khoa học. Người ta thường pha acetone với một lượng nhỏ vào nhiên liệu làm tăng hiệu quả việc sử dụng nhiên liệu, công suất và tuổi thọ của động cơ. Loại xăng pha acetone còn được gọi là “xăng của mùa đông” do nó dễ khởi động máy trong mùa đông và cũng theo tạp chí năng lượng của CHLB Đức thì khi pha acetone với tỷ lệ 0,2%, lượng xăng có thể tiết kiệm từ 15-35%; lượng xăng chưa cháy bị thải ra ngoài không khí giảm khoảng 60%. Butanol cũng là một dung môi rất phổ biến để hòa tan chất sơn, chất màu, chất béo, nhựa, sáp... Butalnol còn là nguyên liệu để tổng hợp butadien dùng trong sản xuất cao su nhân tạo. Trong thực phẩm, butanol được dùng như một tác nhân tạo hương. Butanol được sử dụng chủ yếu như là hóa chất trung gian trong việc sản xuất butyl acrylate và methacrylate, nó cũng được sử dụng trong quá trình sản xuất glycol ethers và butyl acetate như là một dung môi, đồng thời nó cũng có thể đóng vai trò là phụ gia làm dẻo, sử dụng trong dược phẩm. Butanol có hiệu suất năng lượng cao gần bằng hiệu suất năng lượng của xăng trong khi hiệu suất năng lượng của Ethanol chỉ bằng 70% hiệu suất năng lượng của xăng. Butanol sinh học không hấp thu nước như Ethanol, do vậy thay vì phải vận chuyển riêng rẽ và phải có thiết bị hoà trộn với xăng như Ethanol, thì Butanol sinh học có thể được cấp ngay tại thiết bị tinh chế xăng, vận chuyển trong cùng một hệ thống đường ống và cấp cho các nơi tiêu thụ. - Chì tiêu của butanol:Số EINECS( Europaean Inventory of Existing Chemical Subtance) 200- 751- 6 Chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng. Lượng nước tối đa là 0.2% khối lượng. Độ tinh sạch đạt nhỏ nhất là 99.4%, pH= 6.5-7 - Chỉ tiêu của acetone: Số EINECS 200- 662- 2 Chỉ tiêu cảm quan: Sạch, không màu, không có cặn, chất lỏng dễ bay hơi. Mùi thơm nhẹ, giống mùi bạc hà. Chỉ tiêu hóa lý: Hòa tan vô hạn với nước.Nước tối đa là 0.5% về khối lượng. Khối lượng riêng: 0.79 g/cm3 ở 200 C IV.THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ Sử dụng nguồn nguyên liệu thay thế: Dịch whey được sử dụng thay thế cho rỉ đường Sữa sau khi kết tủa lactose và tách casein, ta thu được dịch whey có hàm lượng đường thấp (4 – 5% lactose). Tỉ lệ lactose trong dịch whey thay đổi tùy theo quá trình. Lactose là cơ chất thích hợp trong quá trình lên men butanol bởi lên men butanol giới hạn hàm lượng cơ chất chỉ tới 60g/L nhằm tránh tạo độc tố. Để lên men chất khác (ethanol hay 2,3-butandiol) thì cần phải có thêm carbohydrate. Một số loại dịch whey khác nhau cũng được dùng để sản xuất butanol bằng cách sử dụng C.acetobutylicum. Cả 2 loại C.acetobutylicum P262 và C.beijerinckii BA101 đều được sử dụng trong sản xuất butanol từ dịch whey. Loại cơ chất này là nguồn giàu chất khoáng và do đó việc bổ sung thêm khoáng chất để lên men là không cần thiết. Tỷ lệ butanol: acetone là 12:1 – 20:1, khác biệt khá lớn khi sử dụng cơ chất là gluc