Công nghệ sinh học 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
KHOA KỈ THUẬT DẦU KHÍ
BỘ MÔN LỌC HOÁ DẦU

MÔN HỌC:CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG
BÀI THU HOẠCH SỐ 2
ĐỀ TÀI 3:tìm hiểu ứng dụng của của vi sinh vật trong
sản xuất butanol.
GVHD : NGUYỄN THỊ LINH
MSV:1
VŨNG TÀU 2015


1.GIỚI THIỆU VỀ BUTANOL
Butanol (danh pháp IUPAC, 1-butanol; CAS no.71-36-3) còn được
gọi là rượu butylic, n-butanol hoặc methylolpropane, là một rượu
gồm 4 cacbon có công thức phân tử C 4H9OH (KLPT = 74,12 g.mol1
). Butanol là một chất lỏng không màu, dễ cháy, kỵ lỏng, có mùi
thơm như chuối hương và có mùi cồn mạnh. Khi tiếp xúc trực tiếp
nó có thể gây kích ứng mắt và da.Hơi của nó có tác dụng kích thích
vào niêm mạc màng và có khả năng gây mê khi hít phải ở nồng độ
cao.Butanol hầu như hòa tan hoàn toàn với các dung môi hữu cơ
phổ biến, nhưng lại ít hòa tan trong nước .

2. Ứng dụng của butanol trong thực tiễn
Một trong những ứng dụng ưu việt lớn của biobutanol (butanol sinh
học) là được sử dụng để pha trộn vào xăng dầu làm nhiên liệu
chính cho các động cơ. Trong khi ethanol đã nhận được rất nhiều
sự quan tâm như là một nguồn nhiên liệu hỗ trợ bởi nhiều lý do thì
butanol lại cho thấy nó có thể là một lựa chọn tốt hơn so với
ethanol vì có các tính chất hóa học và vật lý phù hợp.

3.Các loài vi sinh vật được dùng trong sản xuất
butanol
Các loài vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp butanol bao gồm
bốn loài chính là: Clostridium acetobutylicum, C. beijerinckii,
C.saccharobutylicum và Clostridium saccharoperbutylacetonicum.

4.Qúa trình lên men butanol
a) Sự trao đổi chất trong quá trình lên men của vi khuẩn
Clostridium


Trong quá trình lên men của Clostridium, gồm hai giai đoạn sinh
trưởng riêng biệt xảy ra: giai đoạn acidogenic và giai đoạn
solventogenic.
a) Giai đoạn acidogenic:Giai đoạn acidogenic xảy ra đầu tiên,
khi Clostridium thực hiện quá trình lên men butyrat điển hình và
phát triển trên môi trường cơ chất là tinh bột hoặc đường. Các sản
phẩm chính tong giai đoạn này là butyrat (butyric acid), acetate
(acid acetic), carbon dioxide và hydrogen
b) Giai đoạn solventogenic. Các acid bài tiết được sử dụng
trong giai đoạn này và được chuyển đổi thành các sản phẩm trung
tính, bao gồm aceton và butanol (theo tỷ lệ thông thường là 1:2)

Sơ đồ trao đổi chất trong quá trình lên men của Clostidium


b) Khả năng sử dụng các nguồn cơ chất trong lên men
• khả năng sử dụng các loại đường đơn pentose và hexose
thực hiện các quá trình lên men với các loại đường là glucose,

xylose, arabinose, galactose sử dụng chủng Clostridium
acetobutylicum P260. Mặc dù Clostridium acetobutylicum P260
có thể sử dụng được cả bốn loại đường nhưng canh trường vi
sinh vật đã sử dụng glucose nhiều hơn những loại đường khác.
Glucose hầu như không còn trong dịch sau lên men, trong khi
galactose được sử dụng ít nhất trong bốn loại đường . Như vậy,
arabinose dù không lên men được hoàn toàn nhưng lại cho hiệu
suất sinh butanol cao nhất. Nồng độ tế bào vi sinh vật từ dịch lên
men của glucose cũng cho kết quả cao nhất điều này cho thấy
glucose tạo môi trường thuận lợi nhất cho sự phát triển của tế
bào vi khuẩn.
• . Lên men từ bột sắn (cassava flour CF)
Bột sắn được sử dụng làm cơ chất cho quá trình lên men sử
dụng chủng Clostridium beijerinckii BA101. Bột sắn sẽ được xử lý
bằng hai phương pháp sử dụng enzyme (a-amylase và bglucoamylase)và acid (HCl). Bột sắn được pha vào nước cất
thành dung dịch huyền phù ở các nồng độ 60, 80 g/L. Với
phương pháp xử lý bằng acid (CT: acid chemical treatment), dung
dịch HCl 1M được bổ sung vào dung dịch CF đến khi pH đạt 1.5.
Quá trình thủy phân thực hiện trong 2h ở nhiệt độ 121 oC, sau đó
được làm lạnh đến 4oC để ngừng quá trình thủy phân. Với
phương pháp xử lý bằng enzyme (E1), CaCl2 (1g/L) được bổ
sung vào dung dịch huyền phù để đạt 40 mgCa/L, điều chỉnh pH
đến 6.5 bằng NaOH 1M. a-amylase được bổ sung vào ( 1ml/kg
bột) và thực hiện quá trình hồ hóa ở 93 oC trong 2h. Sau đó, bổ
sung b-glucoamylase (1.7 ml/kg bột) thực hiện quá trình dịch hóa
ở 60oC, tốc độ khuấy đảo 150 rpm trong 1h. Cuối cùng hỗn hợp


được đưa về 40oC giữ trong 39h trước khi lên men. Quá trình lên
men được thực hiện ở các nhiệt độ 35 và 40 oC với nồng độ CF là

60 và 80 g/L.
nồng độ butanol đạt được cao nhất là 31.59 g/L ứng với quá
trình lên men ở 40oC sử dụng nồng độ CF là 60g/L xử lý bằng
enzyme. Nồng độ butanol đạt được thấp nhất là 11.34 g/L khi lên
men ở 25oC, nồng độ CF là 80 g/L xử lý bằng enzyme
• Lên men từ Xơ bắp ( corn fiber)
Xơ bắp là phụ phẩm từ trái bắp, không có giá trị về mặt kinh tế
được sử dụng làm thức ăn gia súc. Tuy nhiên trong xơ bắp chứa
tới 60-70 % các thành phần carbohydrate, 30% trong số đó là
arabinoxylan hoặc hemicellulose. Nhiều nghiên cứu đã sử dụng
xơ bắp như là nguồn cơ chất cho quá trình lên men sản xuất
butanol. Xơ bắp trước khi lên men được thủy phân bằng hai
phương pháp sử dụng enzyme và acid sulfuric.Từ quá trình lên
men dịch thủy phân bằng acid sulfuric ( nồng độ đường đạt được
sau quá trình thủy phân là 29.8 g/L; glucose chiếm 4.3 g/L).
phương pháp thủy phân xơ bắp bằng enzyme đã hạn chế các
chất ức chế so với phương pháp thủy phân bằng acid. Nồng độ
tế bào đạt được trong dịch lên men là 1.65 ± 0.40 g/L. Hàm lượng
đường sót chỉ còn 0.4 g/L cho thấy sơ bắp được thủy phân bằng
enzyme là nguồn cơ chất tiềm năng cho sản xuất butanol ở quy
mô lớn.
• Lên men từ dịch bo bo ( sweet sorghum juice)
Đường lấy từ việc thủy phân thân cây bo bo làm cơ chất cho
quá trình lên men sản xuất butanol. Dịch thủy phân từ thân cây bo
bo sẽ được ly tâm, bổ sung vào môi trường P2 điều chỉnh pH về
6.0 bằng dung dịch NaOH 1.0M. Quá trình lên men được thực
hiện trong thiết bị lên men yếm khí 2-L chứa 1500ml dịch lên men
ở 37Oc.Dung dịch bo bo có khả năng cho nồng độ butanol cao.

Tuy nhiên, hàm lượng đường sót trong dịch sau lên men của bo
bo lại khá cao làm cho hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm giảm
đáng kể.
Lên men từ bã nho (grape pomace)
Tổng hợp butanol từ bã nho lấy từ giống nho trắng
Chardonnay sử dụng giống vi khuẩn Clostridium acetobutylicum
P262. Để chuẩn bị cho dịch lên men, bã nho sẽ được pha vào
nước cất theo tỷ lệ 12.5% w/v, bổ sung dung dịch đệm kali
phosphate 1M. Toàn bộ môi trường sẽ được thanh trùng ở 121oC
trong 15 phút. Quá trình lên men sẽ được thực hiện ở 35 oC , pH
môi trường ban đầu 5.5.
•

Có thể thấy trong 24 giờ đầu của quá trình lên men, khả năng sử
dụng cơ chất của vi sinh vật còn tương đối thấp, nồng độ tế bào
tăng không đáng kể. Có thể đây là quá trình thích nghi với môi
trường của vi khuẩn, canh trường chưa bước vào giai đoạn sinh
trưởng. Tuy nhiên, trong 48 giờ lên men tiếp theo, tốc độ sử dụng
cơ chất của vi khuẩn tăng rất nhanh. Sau 72 giờ lên men, 97.6%
hàm lượng đường trong dịch lên men đã được sử dụng, nồng độ
tế bào tăng đều trong 72 giờ lên men và đạt nồng độ 0.81 g/L.
Như vậy, Clostridium acetobutylicum P262 phát triển khá tốt trên
môi trường lên men từ bã nho, nồng độ đường sót còn lại khá
thấp ( 2.4%).
Tốc độ sinh tổng hợp các acid acetic và butylic trong 24 giờ đầu
lên men tăng khá cao 0.59 g/L.h, chứng tỏ canh trường đang
trong giai đoạn acidogenesis chủ yếu tổng hợp acid. Sau đó nồng
độ các acid giảm nhanh trong 48 giờ tiếp theo, nghĩa là canh
trường đã bước sang giai đoạn solventogenesis, vi khuẩn bắt đầu
sử dụng các acid sinh ra trong giai đoạn trước để tổng hợp nên

dung môi.


Sau 24 giờ lên men, acetone và butanol mới bắt đầu được hình
thành và đạt nồng độ lần lượt là 2.83 và 5.96 g/L sau 72 giờ lên
men. Như vậy tỷ lệ nồng độ các dung môi là 6:3:1
(butanol:acetone:ethanol) .Bã nho là một nguồn cơ chất đầy tiềm
năng cho quá trình lên men sản xuất butanol.

Như vậy : Ứng dụng tế bào vi khuẩn trong lên
men sản xuất butanol có thể mang lại nhiều ưu
điểm vượt trội như:
 Chất

mang đóng vai trò như một tác nhân bảo vệ tế bào chống lại
các ảnh hưởng bất lợi từ môi trường như nồng độ cơ chất cao,
sự thay đổi pH, nhiệt độ và làm giảm đi sự ức chế tế bào bởi sản
phẩm cuối (butanol).
 Mật độ tế bào trên mỗi đơn vị thể tích của bình phản ứng sinh
học cao hơn, từ đó dẫn đến năng suất thể tích cao hơn, rút
ngắn thời gian lên men.
 Tăng khả năng sử dụng cơ chất và tốc độ sinh tổng hợp sản
phẩm, từ đó cải thiện hiệu suất lên men.
 Có thể sử dụng cho quá trình sản xuất liên tục.
 Dễ dàng thu hồi sản phẩm, giảm bớt công đoạn phân riêng canh
trường sau lên men, do đó giảm chi phí về thiết bị và năng
lượng.
 Có thể tái sử dụng nấm men nhiều lần trong khi vẫn đảm bảo
được hoạt tính sinh học ổn định...