Quá trình lên men ethanol là quy trình sinh học quan trọng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, giúp chuyển hóa đường thành ethanol và CO₂ dưới điều kiện kỵ khí. Quá trình này được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, nhờ sự trợ giúp của bộ vi sinh vật và công nghệ sinh học. Bài viết sau của MT sẽ giới thiệu các giai đoạn, yếu tố ảnh hưởng, vi sinh vật tham gia để bạn đọc nắm trọn thông tin.
Ethanol là gì?
Lên men ethanol (hay lên men rượu ethanol) là quá trình sinh hóa xảy ra trong điều kiện yếm khí (kỵ khí), trong đó các vi sinh vật (chủ yếu là nấm men) phân giải đường (glucose, fructose, sucrose…) thành ethanol và khí carbon dioxide (CO₂). Đây là một dạng lên men kỵ khí cổ điển, nằm trong nhóm quá trình chuyển hóa năng lượng bằng con đường glycolysis tại tế bào chất.
Phương trình tổng quát của quá trình:
C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂
Trong đó:
- Đường (glucose) → Ethanol (C₂H₅OH) + CO₂
- Enzyme tham gia: alcohol dehydrogenase, pyruvate decarboxylase
Quá trình lên men ethanol gồm có các dạng sau:
| Phân loại | Đặc điểm chính |
| Lên men kỵ khí (yếm khí) | Diễn ra trong điều kiện không có oxy, ví dụ như lên men trong tank kín |
| Lên men liên tục | Nguyên liệu liên tục được bổ sung và sản phẩm được thu hồi liên tục |
| Lên men gián đoạn | Một mẻ hoàn chỉnh sẽ được lên men và thu hồi sau một chu kỳ |
| Lên men thuần túy | Chỉ sử dụng một loài vi sinh vật duy nhất, thường là nấm men Saccharomyces cerevisiae |
Đây là nền tảng của ngành sản xuất ethanol sinh học, đặc biệt với mục tiêu năng lượng sạch thay thế nhiên liệu hóa thạch trong các động cơ đốt trong (ethanol fuel).
Cơ chất sử dụng trong lên men Ethanol
Quá trình lên men ethanol sử dụng nhiều loại cơ chất khác nhau, từ đường đơn giản đến các hợp chất có thể chuyển hóa thành đường, nhằm tạo điều kiện tối ưu cho nấm men sinh ethanol. Các cơ chất chính bao gồm:
- Đường: Glucose, fructose, sucrose… nấm men có thể trực tiếp lên men để tạo ra ethanol.
- Tinh bột: Có trong ngũ cốc như ngô, lúa mì, lúa mạch hoặc khoai tây, cần được thủy phân thành đường trước khi lên men bằng enzyme amylase.
- Cellulose: Nguồn nguyên liệu giàu cellulose như rơm rạ, lõi ngô, mùn cưa được thủy phân thành đường (maltose, glucose) nhờ enzyme cellulase và maltase trước khi lên men.
- Các nguồn khác: Mật ong và các sản phẩm chứa đường tự nhiên cũng có thể được sử dụng trong quá trình lên men ethanol.
Vi sinh vật tham gia lên men Ethanol
Vi sinh vật là yếu tố trung tâm quyết định hiệu quả sản xuất ethanol. Sau đây là các chủng nấm men và vi khuẩn có khả năng chuyển hóa đường thành ethanol dưới các điều kiện khác nhau:
Nấm men:
- Saccharomyces cerevisiae: Loài phổ biến, hiệu quả cao, dễ nuôi cấy, tỷ lệ chuyển hóa đường thành ethanol đạt 90–95%.
- Kluyveromyces marxianus: Chịu nhiệt, có thể lên men ethanol ở nhiệt độ 42–45°C.
- Pichia kudriavzevii: Chịu nhiệt, chịu pH thấp, thích hợp lên men trong điều kiện khắc nghiệt.
- Schizosaccharomyces pombe: Khả năng lên men pentose và hexose, tiềm năng xử lý lignocellulose.
Vi khuẩn:
Zymomonas mobilis: Sở hữu hệ enzyme Entner-Doudoroff độc đáo, sản xuất ethanol tốc độ cao, phù hợp lên men đường glucose.
Các yếu tố ảnh hưởng đến lên men Ethanol
Tốc độ của quá trình lên men ethanol chịu ảnh hưởng từ nhiều điều kiện sinh học, hóa lý và công nghệ. Việc kiểm soát các yếu tố này giúp cải thiện năng suất và chất lượng ethanol:
- Chủng nấm men: Saccharomyces cerevisiae thích hợp cho điều kiện trung tính, Kluyveromyces marxianus và Pichia kudriavzevii hoạt động tốt ở nhiệt độ cao (≥40°C).
- Nhiệt độ lên men: Lý tưởng từ 29–32°C với nấm men phổ thông, nấm men chịu nhiệt có thể lên đến 40°C.
- pH môi trường: Duy trì ở mức từ 4–5 vì pH quá thấp hoặc quá cao làm giảm hoạt tính enzyme.
- Nồng độ đường: Khoảng 10–18% vì nồng độ quá cao gây áp lực thẩm thấu, kìm hãm nấm men.
- Mật độ tế bào: 10⁵–10⁷ tế bào/mL lý tưởng cho lên men ethanol từ rỉ đường.
- Khả năng chịu ethanol: Một số chủng chịu được đến 14–16% ethanol.
- Sự tích tụ CO₂: Khí CO₂ sinh ra nhanh có thể tăng áp suất hệ lên men kín, cần van áp hoặc thu hồi kịp thời.
Quá trình lên men Ethanol trong thực phẩm
Tùy thuộc vào loại cơ chất sử dụng, quá trình lên men ethanol trong thực phẩm được thực hiện theo các bước khác nhau, theo 3 loại nguyên liệu đầu vào phổ biến:
Quá trình lên men Ethanol từ đường đơn và đường đôi
Nguyên liệu: Nước ép nho, mạch nha (malt), nước ép táo, lê, dứa, mía… (chứa glucose, fructose, sucrose, maltose).
Quy trình cơ bản:
- Ép hoặc chiết xuất nước trái cây/mạch nha.
- Điều chỉnh độ đường (nếu cần) và bổ sung SO₂ để loại bỏ vi sinh vật lạ.
- Cấy hoặc lợi dụng nấm men tự nhiên (Saccharomyces cerevisiae là chủ đạo).
- Lên men chính ở nhiệt độ 15–28°C (tùy sản phẩm: rượu vang đỏ 25–28°C, rượu vang trắng 15–18°C, bia 8–22°C).
- Lên men phụ (malolactic fermentation với rượu vang) và ủ chín.
- Lọc, ổn định và đóng chai.
Đặc điểm nổi bật: Ethanol thường chỉ đạt 8–15% v/v, nồng độ cao hơn sẽ ức chế nấm men. Khí CO₂ được giữ lại (bia, champagne) hoặc thoát ra (rượu vang tĩnh).
Quá trình lên men Ethanol từ tinh bột
Nguyên liệu: Gạo, lúa mạch, ngô, sắn, khoai…
Quy trình truyền thống và hiện đại:
- Ngâm và nấu chín tinh bột.
- Hồ hóa và đường hóa: – Truyền thống: Dùng men cái, men rượu, mốc (Aspergillus oryzae trong sake) để tạo enzyme amylase. – Hiện đại: Bổ sung trực tiếp α-amylase và glucoamylase công nghiệp.
- Làm nguội đến 28–35°C, cấy giống Saccharomyces cerevisiae.
- Lên men đồng thời đường hóa và lên men (simultaneous saccharification and fermentation – SSF) hoặc lên men riêng lẻ.
- Chưng cất (nếu sản xuất rượu mạnh) hoặc lọc và đóng gói (bia, sake).
Ví dụ điển hình: Quy trình từ tinh bột thường kết hợp đường hóa và lên men đồng thời (SSF), giúp giảm ức chế bởi glucose, rút ngắn thời gian và tăng hiệu suất ethanol lên 90–95% so với lý thuyết.
Quá trình lên men Ethanol từ rỉ đường và mật mía
Nguyên liệu: Rỉ đường (molasses) hoặc nước mía tươi.
Quy trình:
- Pha loãng rỉ đường đến 15–22°Brix (khoảng 150–220 g đường/L).
- Điều chỉnh pH 4.5–5.5, bổ sung (NH₄)₂SO₄ hoặc urea làm nguồn nitơ.
- Cấy giống nấm men (Saccharomyces cerevisiae hoặc chủng chịu nhiệt) với mật số 10⁶–10⁷ tế bào/mL.
- Lên men ở 30–38°C trong 24–72 giờ.
- Chưng cất 1–2 lần để thu rum nhẹ (light rum) hoặc rum nặng (heavy rum).
Đặc điểm: Rỉ đường chứa nhiều hợp chất congén (congéners) nên tạo ra rượu rum có hương vị đặc trưng mạnh, ethanol ban đầu có thể đạt >10–12% v/v trước khi chưng cất.
Đọc thêm: Lên men lactic
Các phương pháp lên men Ethanol
Để đạt năng suất cao, giảm chi phí năng lượng và rút ngắn thời gian sản xuất ethanol (cả trong thực phẩm và nhiên liệu sinh học), các phương pháp kỹ thuật sau được áp dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm lẫn nhà máy công nghiệp:
- Lên men liên tục (continuous fermentation): Duy trì dòng nguyên liệu và thu sản phẩm liên tục, giữ mật độ tế bào ổn định cao, tăng năng suất thể tích lên 3–10 lần so với lên men mẻ, rất phù hợp quy mô lớn.
- Lên men đồng thời đường hóa và lên men (SSF – Simultaneous Saccharification and Fermentation): Kết hợp thủy phân tinh bột và lên men trong cùng một bồn, giảm hiện tượng ức chế glucose, tăng hiệu suất ethanol lên 90–95% lý thuyết.
- Lên men ở nhiệt độ cao với nấm men chịu nhiệt: Sử dụng các chủng như Kluyveromyces marxianus, Pichia kudriavzevii hoặc Candida tropicalis ở 38–45°C, giảm đáng kể chi phí làm mát (có thể tiết kiệm 20–40% năng lượng).
- Kiểm soát pH tự động: Duy trì pH 4.0–5.0 bằng cách bổ sung dung dịch NaOH, NH₃ hoặc H₃PO₄ tự động, giúp nấm men hoạt động tối ưu và hạn chế nhiễm khuẩn.
- Quản lý khí CO₂: Lắp hệ thống xả áp định kỳ hoặc thu hồi CO₂ để tránh tích tụ áp suất và ức chế tế bào (CO₂ hòa tan > 1,5 g/L sẽ làm giảm tốc độ lên men 15–25%).
- Bổ sung enzyme và vi chất dinh dưỡng: Thêm α-amylase, glucoamylase (nếu từ tinh bột), protease và các ion Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺ để tăng hoạt tính của alcohol dehydrogenase và pyruvate decarboxylase.
- Sử dụng chất kích thích sinh học: Bổ sung urea, (NH₄)₂SO₄, chiết xuất nấm men hoặc ergosterol + Tween 80 giúp nấm men tăng khả năng chịu ethanol và chịu nhiệt.
- Tái tuần hoàn tế bào nấm men (cell recycling): Sau mỗi mẻ, ly tâm hoặc lọc màng để giữ lại 70–90% tế bào và tái sử dụng cho mẻ tiếp theo, rút ngắn thời gian lag phase và tăng năng suất 20–40%.
Ứng dụng của quá trình lên men Ethanol
Quy trình lên men ethanol không chỉ là nền tảng sản xuất nhiên liệu sạch mà còn hiện diện rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Quy trình này được ứng dụng phố biến trong:
- Nhiên liệu sinh học: Ethanol là thành phần chính của xăng sinh học E5, E10, E85, E100. Năm 2024, ethanol sinh học chiếm ~10% nhiên liệu giao thông toàn cầu và tiếp tục tăng trưởng mạnh.
- Công nghiệp thực phẩm và đồ uống: Sản xuất rượu vang, bia, rượu mạnh, sake, giấm ăn; đồng thời tạo khí CO₂ làm nở bột trong bánh mì và góp phần tạo hương vị đặc trưng.
- Y tế và sát trùng: Ethanol 70–90° là chất sát khuẩn phổ biến nhất trong cồn y tế, gel rửa tay khô và dụng cụ khử trùng.
- Mỹ phẩm và dược phẩm: Làm dung môi trong nước hoa, lotion, thuốc xịt, thuốc nhỏ mắt và nhiều chế phẩm mỹ phẩm.
- Hóa chất công nghiệp: Nguyên liệu sản xuất ethyl acetate, ethylene, chất tẩy rửa và dung môi công nghiệp.
- Nghiên cứu và công nghệ sinh học: Phát triển các chủng nấm men biến đổi gen (S. cerevisiae, K. marxianus, Z. mobilis) để lên men hiệu quả từ lignocellulose thế hệ thứ 2 và thứ 3, hướng tới sản xuất ethanol bền vững và chi phí thấp.
Tóm lại, quá trình lên men ethanol vẫn là công nghệ sinh học cốt lõi cho năng lượng sạch và thực phẩm, với tiềm năng bứt phá nhờ nấm men chịu nhiệt, chỉnh sửa gen và quy trình liên tục. Trong các quy trình lên men ethanol từ nghiên cứu đến sản xuất quy mô lớn, việc lựa chọn hệ thống lên men phù hợp đóng vai trò then chốt. MT cung cấp đa dạng hệ thống nuôi cấy Bioreactor và máy lên men vi sinh fermenter, đáp ứng linh hoạt cho phòng thí nghiệm và nhà máy công nghiệp. Bên cạnh đó, các giải pháp xử lý và tinh sạch như housing lọc, lọc tiếp tuyến kết hợp cùng bơm ly tâm GEA giúp nâng cao hiệu suất vận hành, duy trì điều kiện vô trùng và đảm bảo độ ổn định cho toàn bộ dây chuyền công nghệ sinh học.
Liên hệ ngay hôm nay để nhận những ưu đãi mới nhất:
- Địa chỉ: TK40/10 Đường Trần Hưng Đạo, Phường Cầu Ông Lãnh, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam
- Hotline: 0767 067 567
- Email: infor@mtenequip.com
