1.3. Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển
1.3.2. Quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân rong biển
Sự lên men rượu là một quá trình sinh học có liên hệ mật thiết tới hoạt động của nấm men. Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào và thẩm thấu vào bên trong. Ở đó, các enzym sẽ tác dụng qua nhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ra sản phẩm là rượu và cacbonic. Trên cơ sở đó, phương trình phản ứng tổng quát của quá trình lên men rượu như sau:
C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2
Rượu và cacbonic là hai sản phẩm được khuếch tán và tan vào môi trường xung quanh. Rượu do linh động nên hòa tan nhanh vào dịch lên men còn cacbonic hòa tan kém và khuếch tán chậm.
Trong sản xuất cồn etylic, nấm men là vi sinh vật được sử dụng phổ biến nhất. Nấm men có khả năng lên men đường thành rượu và khí cacbonic. Trong mỗi ngành sản xuất có những đòi hỏi đặc thù về nấm men. Nấm men dùng trong sản xuất cồn phải có khả năng lên men các đường nhanh và càng triệt để càng tốt, phải có năng lực lên men mạnh đồng thời phải ổn định và chịu được những thay đổi của canh trường.
Trong các nhóm vi sinh vật sinh ethanol, nấm men Saccharomycess cerevisiae vẫn là vi sinh vật ứng dụng rộng rãi nhất. S. cerevisiae có khả năng tích lũy 18% ethanol trong môi trường có thành phần tương đối đơn giản. Nấm men S.
cerevisiae có thể lên men nhiều đường đơn như glucose, fructose hoặc đường đôi saccharose, maltose. Với năng lực lên men cao và là đối tượng được tìm hiểu kỹ nhất, nấm men S. cerevisiae là ứng cử viên tiềm năng nhất cho công đoạn chuyển hóa glucose thành ethanol trong sản xuất cồn nhiên liêu từ sinh khối.
Quá trình thủy phân chuyển đổi carbonhydrat dự trữ của rong biển thành đường lên men giúp cho vi sinh vật dễ dàng sử dụng để lên men sinh ethanol. S.
cerevisiae là một loại nấm men đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu trước
14
đây cho sản xuất ethanol từ sinh khối rong biển [21,8]. Một nghiên cứu sử dụng enzyme laminarinase để thủy phân laminarin trong rong saccharina latissima thành glucose, sau đó có thể dễ dàng lên men để sản xuất ethanol từ S. cerevisiae [8]. Một nghiên cứu khác [21] theo báo cáo này 7,0-9,8 g/l ethanol được sản xuất từ 50 g/l dịch đường được thủy phân bằng axit của rong L. Japonica bằng đường hóa và lên men đồng thời với S. cerevisiae, hàm lượng ethanol tạo thành là tương đối thấp vì S. cerevisiae chỉ có thể tiêu thụ đường không chứa trong dịch thủy phân không chứa mannitol, trong khi đó dịch thủy phân của rong này chứa 81 % manitol. Mannitol khó lên men và chỉ có một vài sinh vật có thể sử dụng nó.
Mannitol cần phải được chuyển đổi sang fructose -6 Photphate trước khi đi vào chu trình đường hóa. Giống vi sinh Zymobacter palmaewas đã được phát hiện là có khả năng phát triển trong môi trường mannitol trong điều kiện oxy thấp và sản xuất ethanol với sản lượng 0,38g/g manitol [17] Một nghiên cứu khác phát hiện ra nấm men Pichia angophorae có thể lên men đồng thời mannitol và cả laminarin và sản xuất được ethanol dich thủy phân rong nâu. Hàm lượng ethanol tối đa là 0,43 g ethanol/g cơ chất ở pH 4,5 và 5,9 mmol O2/l/h [17]. Giống vi sinh Brettanomyces custersii , đã được phát hiện là phù hợp cho quá trình lên men galactose hơn S. cerevisiaein [25]. Một giống B. custersii đột biến KCTC 18154P đã được nghiên cứu để sản xuất ethanol từ dịch thủy phân của rong đỏ G. amansii.
Sinh khối rong G. amansii đã được thủy phân trong axit loãng, tạo ra dịch thủy phân có chứa thành phần chính là đường galactose và một ít các đường khác, và một số sản phẩm biến đổi từ đường 5 Carbon như 5 - hydroxymethyl -2- furaldehyde (5 HMF) và các axit hữu cơ. Sản phẩm lên men bởi B. custersii thu được 11,8 g / l ethanol từ 90 g / l dịch đường trong bể phản ứng gián đoạn (hiệu suất EtOH = 0,13 g/g) , và 27,6 g / l ethanol từ 72,2 g / l dịch đường trong một bể phản ứng liên tục (hiệu suất EtOH = 0,38 g/g) [25].
15
Bảng 1.3. Vi sinh vật lên men ethanol, buthanol từ sinh khối rong biển
Vi sinh vật lên men Thành phần loài
Các dạng đường chính
Tham khảo Giống tự nhiên
sacSaccharomyces cerevisiae Saccharina
latissima Glucose [8]
Laminaria
japonica Glucose [21]
Zymobacter palmae Laminaria
hyperborea Mannitol [16]
Pichia angophorae Laminaria hyperborea
Mannitol,
laminarin [16]
Brettanomyces custersii Gelidium
amansii Galactose, glucose [25]
Clostridiumbeijerinckii, Clostridium saccharoperbutylacetonicum
Ulva lactuca Glucose, arabinose, xylose
Giống biến đổi
Saccharomyces cerevisiae Rong đỏ
Galactose, lên men kết hợp galactose
và cellobiose
[23]
Escherichia coli Saccharina japonica
Glucose, mannitol
và alginate [22]
Escherichia coliKO11 Laminaria
japonica Glucose, mannitol [21]
Ta có thể thấy S. cerevisiae chỉ có thể tiêu thụ đường glucose mà không tiêu thụ được manitol. Manitol là loại đường khó lên men và có rất ít vi sinh vật có thể sử dụng nó. Một trong những khó khăn khi lên men dịch thủy phân rong Lục là rất
16
ít vi sinh vật có khả năng lên men arabinose, xylose (chiếm 10 – 15% lượng đường trong dịch thủy phân rong Lục). Các giống nấm men S. cerevisiae đều không có khả năng này. Chính vì những lý do đó, hiện nay có nhiều nhóm nghiên cứu đang tập trung vào cải thiện đặc tính chủng giống theo hướng chuyển các gene cần thiết cho khả năng lên men arabinose, xylose vào Saccharomyces cerevisiae. Đã có một số thành tựu nhất định đạt được trong lĩnh vực này, tuy nhiên để tiếp cận được với sản xuất công nghiệp, những chủng giống này còn phải được cải thiện nhiều hơn nữa.
Những chủng giống vi sinh vật khác như E. Coli, Zymobacter palmae, Brettanomyces custersii, ....đều có khả năng lên men sinh ethanol tuy nhiên khả năng tích lũy ethanol của chúng rất thấp và điều kiện lên men như pH, nhiệt độ,....
hạn hẹp hơn.