Công nghệ lên men

4/20/2011

CDGD: Bùi Hồng Quân

Biên soạn: Nguyễn Minh Hiền

Tài liệu tham khảo

Công nghệ vi sinh vật tập 2, 3. PGS-TS Nguyễn Đức Lượng

Công nghệ vi sinh ứng dụng, PGS-TS Trần Minh Tâm

Công nghệ lên men ứng dụng trong CNTP, Bùi Ái

Công nghệ sản xuất malt và bia, Hoàng Đình Hòa

Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn etylic, PGS – TS Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thị Thanh Hằng

Enzyme vi sinh vật, PGS – TS Lê Ngọc Tú

Food microbiology, William C.Frazier

Applications of biotechnology to traditional fermented foods (http://www.nap.edu/catalog/1993.html)

…………………..

4/20/2011

Tài liệu tham khảo (tt) • Bamforth C.W. Food, Fermentation and Micro-organisms, Blackwell Publishing, USA, 2005. • Hutkins R.W. Microbiology and Technology of Fermented Foods, Blackwell Publishing, USA, 2006.

• Elmer H. Marth, Applied dairy microbiology, Second edition • Springer, Wine microbiology practical and procedures, 2007 • Springer, Modern techniques in the microbial ecology of

fermented foods, 2008

• Elsevier, Handbook of culture media for food microbiology,

2003

• The microbiology of safe food, Blackwell Publishing, USA,

2000

• Practical food microbiology, 3rd edition, Blackwell

Publishing, USA, 2003

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CỦA SV

1. ĐIỂM QUÁ TRÌNH (30%)

1.1. KIỂM TRA 15 PHÚT (15%)

1.2. BÁO CÁO SEMINAR (15%): chọn 1 trong 3 phương án sau

1.2.1. Chọn 1 bài báo tiếng Anh, dịch sách liên quan tới môn học

để đọc hiểu và thuyết trình power point (4sv/nhóm)

1.2.2. Chọn 1 bài báo tiếng Việt liên quan tới môn học để đọc

hiểu và thuyết trình power point (2sv/nhóm)

1.2.3. Chọn 1 đề tài đã được thực hiện liên quan tới môn học để

đọc hiểu và thuyết trình power point (4sv/nhóm).

Thi viết tự luận

2. ĐIỂM THI KÊT THÚC MÔN HỌC (70%)

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

NỘI DUNG CHI TIẾT HỌC PHẦN 2

3.2. Công nghệ sản xuất acid hữu cơ thực phẩm

3.3. Công nghệ sản xuất acid amin

3.4. Công nghệ sản xuất sinh khối vi sinh vật

3.5. Công nghệ sản xuất polysaccharide từ VSV

3.6. Công nghệ enzyme

3.7. Công nghệ sx các sp lên men truyền thống

Phần 1. Mở đầu Phần 2. Kỹ thuật lên men Phần 3: Công nghệ lên men ứng dụng 3.1. Lên men ethanol và các ứng dụng

www.gbd.edu.vn

PHẦN 1. MỞ ĐẦU

1.1. CÔNG NGHỆ LÊN MEN

1.1.1. Khái niệm về lên men (fermentation)

1.1.2. Khái niệm về CNLM (fermentation technology)

1.2. PHÂN LOẠI CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

1.1.1. Khái niệm về lên men (fermentation)

(From latin “fervere”)

Quan điểm của nhà hóa sinh học: lên men là quá trình sản sinh năng lượng. Các hợp chất hữu cơ hoạt động với vai trò vừa là chất cho, vừa là chất nhận điện tử. Lên men là quá trình yếm khí, năng lượng được sản xuất không cần có oxy hoặc các chất nhận điện tử vô cơ khác.

Quan điểm của Pasteur: 1857, Ông công bố quá trình lên men không phải “công trình của sự chết” như những nhà hóa học nghĩ mà là “công trình của sự sống”. Ông đưa ra khái niệm tính kỵ khí và ái khí của VSV và sự lên men là hệ quả của “cuộc sống không có không khí”

Theo nghĩa mở rộng: lên men là quá trình nuôi cấy VSV (có oxy hoặc không có oxy) để thu nhận sinh khối, các sản phẩm trao đổi chất, thực hiện sự chuyển hóa cơ chất.

1.1.1. Khái niệm về lên men (tt)

4/20/2011

1.1.1. Khái niệm về lên men (tt)

www.gbd.edu.vn

First Fermentation concept, or Pasteur concept in 1857, “Fermentation is the transformation process of the sugar to alcohol in presence of "la vie sans l'air" (means life without air).

Louis Pasteur (27.12.1822 – 28.9.1895) the father of the Microbiology

1.1.1. Khái niệm về lên men (tt)

Conclusions of Pasteur from its study of wines: The alcoholic fermentation of grape juice occur only in presence of yeasts. The wine acidification occur in presence of bacteria. When the grape juice is heated the fermentation do not take place. When the wine (the sugar) is heated the acidification do not occur.

Fermentation is the change of the substrate (sugars) by the action of the ferments

4/20/2011

knowledge

the

1.1.2. Khái niệm về CNLM (fermentation technology)

the combined The fermentation technology is application process engineering, biochemistry and microbiology for designing or evaluation a fermentation process.

Sản lượng (tấn/năm)

100,000 1,000,000

Amino acids Antibiotics Enzymes Pharmaceutical proteins

10 – 100,000 10 – 30,000 0.1 – 3,000 0.001 - 3

Sản phẩm Acid foods (citric, lactic) Alcohol

ENVIRONMENT ENVIRONMENT

Bioremediation

Environmental monitoring

Useful Useful Applications Applications

Pollution control

PHARMACY PHARMACY

FARMING FARMING

FOOD FOOD

Yield Feed stocks

Animal health

Diagnostics Vaccines Therapeutics

Biosensors

Process analysis

Bioprocess

TOOLS / TECHNICAL ADVANCES TOOLS / TECHNICAL ADVANCES

Bioinformatics

Experimental design

Protein engineering

Biochemistry

Process engineering

Immunology

Microbiology

SCIENTIFIC KNOWLEDGE SCIENTIFIC KNOWLEDGE

Informatics

Molecular Biology

Physiology

Statistic

4/20/2011

What I should do to do fermentation?

Media preparation

Physiology

Fermenter preparation

conservation

Kinetics

Sterilization

Agitation/Aeration

Adjusting parameters

Fermenter types

Operation modes

Inoculation

n i a r t s

Scale-up

Cultivation

Medium design

r e c u d o r p e h t t n e m p o l e v e D

Optimization

Taking samples

Harvest

(cid:1)CÁC SP TRAO ĐỔI CHẤT

KHỐI

SP TĐC BẬC 1: acid amin, vitamin, acid citric …

(cid:1) SINH VSV (biomass): protein đơn bào (SPC), men bánh mì, giống khởi động (starter)

SP TĐC BẬC 2: enzyme VSV, kháng sinh…

Cơ chất Tế bào (biomass)

SP lên men: rượu, acid lactic… (lên men kỵ khí)

Cơ chất Sản phẩm + Tế bào

(SP TĐC)

1.2. PHÂN LOẠI CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN TỪ VSV

4/20/2011

High value – Low volume product depends onon (MostlyMostly depends price) substrate price) thethe substrate

andand

Phân loại sản phẩm lên men theo quan điểm kinh tế Bio-products Medium value – High product volume (TheThe relatively relatively isis process process expensive some some expensive complexity) complexity)

• Amino acids • Organic acids • Biopolymers • Baker yeast • Microbial polysaccharides

Low value – High product volume (MostMost ofof thethe production production correspond toto correspond purification process) purification process • Ethanol • Biomass • Methane • Acetone • Butane • Fructose syrups • Feeding products

• Antibiotics • Vitamins • Enzymes • Vaccines • Steroids • Hormones • Other pharmaceutics

Cost distribution

High volume and Low value product

Low volume and High value product

High investment cost

High investment cost (phí đầu tư cao)

High raw material cost (phí nguyên liệu cao)

Cost are distributed in all production stages

High recovery of the product in the fermentation stage

High conversion efficiency (hiệu quả chuyển đổi thấp)

Low recovery cost (Phí quay vòng thấp) High purification cost

High margin profit

Low margin profit (lợi nhuận thấp)

Only few regulatory problems (phải theo quy định pháp luật)

Too much regulatory and legyslation restrictions, and high plant hygiene

Required too much R&D Cost

Required not much R&D expenditures (không tốn nhiều tiền cho RD

Very high qualification of the labor force is nedeed

Low qualification of the labor force is acceptable (Người lao động có thể ko cần trình độ chuyên môn cao)

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

PHẦN 2. KỸ THUẬT LÊN MEN

2.1. VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN TP

2.2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LÊN MEN

2.3. PHƯƠNG PHÁP & THIẾT BỊ LÊN MEN

2.4. CẢI TiẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN

2.1. VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN TP

2.1.1. CÁC YÊU CẦU VỀ GIỐNG VSV

2.1.2. KỸ THUẬT TẠO GIỐNG

2.1.3. KỸ THUẬT NHÂN GIỐNG VÀ SX GIỐNG

2.1.4. KỸ THUẬT KIỂM TRA GIỐNG VSV

2.1.5. KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG GIỐNG

2.1.6. KỸ THUẬT BẢO QUẢN GIỐNG

4/20/2011

VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN TP

TP lên men với sự tham gia của VSV trong tự nhiên (TP lên men truyền thống) TP lên men với sự tham gia của VSV thuần khiết (TP lên men công nghiệp)

(cid:1)Sx quy mô lớn, năng suất cao (cid:1) Chủ động cấy 1 lượng VSV vào nguyên liệu (cid:1)Kiểm soát được quá trình lên men, chất lượng ổn định & đồng đều

(cid:1)Sx thủ công, quy mô nhỏ, năng suất không cao (cid:1) Không kiểm soát được quá trình, chất lượng chưa ổn định và chưa đồng đều. (cid:1) Mang bản sắc ẩm thực, kinh nghiệm, văn hóa của mỗi dân tộc

2.1.1. Yêu cầu giống VSV trong CNLM (cid:1)Phải có tốc độ sinh trưởng và phát triển mạnh, thuần (cid:1)Phải tạo ra sản phẩm có năng suất sinh tổng hợp cao, chất lượng tốt (cid:1)Phải có tính thích nghi nhanh trong điều kiện sx CN (cid:1)Phải có khả năng chống chịu lại VSV tạp nhiễm (cid:1)Phải có kích thước đủ lớn, thuận tiện cho quá trình lắng, lọc, tinh chế sau này. Sản phẩm sinh khối dễ tách ra khỏi môi trường nuôi cấy (cid:1) Chủng VSV được bảo quản dễ dàng, tồn tại các đặc tính trong suốt thời gian sử dụng (cid:1) Có khả năng thay đổi các đặc tính bằng kỹ thuật di truyền để cải thiện, nâng cao năng suất (cid:1) Không hoặc ít tạo thành sản phẩm không mong muốn

4/20/2011

2.1.2. Kỹ thuật tạo giống

Phân lập trong tự nhiên PL trong đk sx công nghiệp

PL trong tự nhiên

Nguyên tắc có cơ chất, có VSV phân giải cơ chất

Ưu điểm nguồn VSV phong phú đa dạng

Nhược Tốn thời gian, hoạt lực VSV còn thấp /

PL trong sx CN

Tiếp hợp, tái tổ hợp Tạo

Tạo VSV = KTDT

Tính thích nghi cao Hiệu quả cao, VSV đã quen với điều kiện sx công nghiệp giống được VSV có đặc tính mong muốn

Yêu cầu trình thiết độ cao, bị hiện đại

Tạo giống VSV mới (áp dụng kỹ thuật di truyền)

Các trung tâm lưu trữ giống trên thế giới và Việt Nam ABBOTT: Abbott Lab, North Chicago, III.60064, USA ATCC: America Type Culture Collector, 12301, Parklaw Drive Rockvill Md20852, USA HIR: Food and Fermentation Divisio, Hokkatdo Profectural Industrial Research Institute Saporo, Japan FERM: Fermentation Research Institute, Agency of Industrial Science and Technology Ministry of Industrial Trade and Industry, Chiba, Japan VTCC, IMBT, National University, HaNoi, VietNam vtcc@vnu.edu.vn; www.biotechvnu.edu.vn (Ngân hàng giống quốc gia, HN)

Bảo tàng giống: www.bacteriummuseum.org

4/20/2011

2.1.3. Kỹ thuật nhân giống

Nhân giống trong PTN Nhân giống trong quy mô sx lớn

PPnhân giống khởi động truyền thống và hiện đại

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhân giống

op của VSV

(cid:2)Thành phần các chất trong MT nhân giống (không chứa chất kháng sinh, chất ức chế). Penicillin, chloramphenycol … ức chế sinh trưởng của VK lactic. (cid:2)Nồng độ các chất trong MT nhân giống. Nồng độ đường hoặc muối cao tăng p thẩm thấu ức chế VSV (cid:2)pH: chọn pH của MT nhân giống = pHop của VSV. pH ảnh hưởng trực tiếp lên bề mặt tế bào tích điện khác nhau làm cho hoạt độ các loại enzyme VSV thay đổi. pH ảnh hưởng đến sự phân ly của các chất dinh dưỡng có trong MT (cid:2) Nhiệt độ: chọn To nhân giống = To

4/20/2011

(cid:2)Quan sát đại thể (cid:2) Quan sát vi thể (cid:2)Kiểm tra hoạt lực giống VSV (thoái hóa)

2.1. 4. Kỹ thuật kiểm tra chất lượng của giống VSV

Giống VSV bị tạp nhiễm, thoái hóa phải phân lập lại hoặc thay giống khác

Giống VSV bị thoái hóa: do tác động của môi trường bên trong và tác động sản những của phẩm TĐC do chính VSV tiết ra

Kiểm tra độ thuần của giống thường xuyên (bị nhiễm từ ống gốc) Khử trùng MT dinh dưỡng; với các MT có bào tử cần khử trùng triệt để hơn. Ví dụ diệt bào tử Bac. subtilis 1800C/60’ - 90’ (Bị nhiễm trong qt nhân giống)

2.1.5. Kỹ thuật nâng cao chất lượng giống

2.1.5.1. Huấn luyện thích nghi giống vi sinh vật (cid:1) Mọi VSV đều có khả năng thích nghi rất cao với môi trường. Những tác động môi trường được lặp đi lặp lại nhiều lần tạo nên tính thích nghi bền vững.

(cid:1) Khi tạo được tính thích nghi của VSV phải luôn duy trì tác động ở mức độ đã tạo ra tính thích nghi. Đặc điểm này không bền.

Yêu cầu: người thực hiện phải có tính kiên trì.

Khuẩn lạc nấm men trên Hansen Agar có hàm lượng đường 26, 28% (phương pháp huấn luyện giống)

4/20/2011

Đột biến bằng tác nhân vật lý ( tia U.V):

2.1.5.2. Đột biến VSV

Tia U.V được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chọn giống VSV. Tia U.V có khả năng tạo ra các đột biến có chất lượng cao hơn chủng loại ban đầu hàng trăm lần.

Tia U.V ở λ=260nm thường gây ra những đột biến điểm cao nhất. Đây là loại bức xạ không ion hóa và gây ra những biến đổi base chứa nitơ trong gen.

Đột biến bằng tác nhân hóa học (kháng kháng sinh):

Dùng môi trường có kháng sinh để tìm các dạng đột biến bền vững (kháng kháng sinh). Trên môi trường này, các tế bào mẫn cảm với kháng sinh sẽ bị giết chết, chỉ còn các tế bào đột biến đối kháng là tồn tại

Số lượng khuẩn lạc/ nồng độ kháng sinh trong MT nuôi cấy

(không

0,01mg/ml 0,1mg/ml 0,5mg/ml

bổ

10-7 sung kháng sinh)

Nhóm

1

34

8

2

58

5

3

107

7

5 Không xuất hiện khuẩn lạc

4

5 Nhiễm

TN tiến hành với vk E.coli. Nuôi cấy E.coli ở nồng độ pha loãng 10 -1 trong các môi trường bổ sung kháng sinh

4/20/2011

2.1.5.3. Lai giống nấm men Nguyên tắc: Từ 2 giống nấm men giống nhau ta có thể tạo ra được giống nấm men mới có những đặc tính của cả 2 loài ban đầu bằng cách cho chúng tiếp xúc với nhau trong điều kiện thí nghiệm. Nhược điểm: •Tỷ lệ thành công không cao. •Sự pha trộn đặc tính di truyền chỉ trong một lòai nhất định. •Các giống VSV khác nhau thì không thể tiến hành quá trình lai giống được. Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện

Cách thực hiện lai giống nấm men 1. Cấy 2 giống men vào môi trường đầy đủ M1(môi trường

lỏng). Ủ 24h.

2. Cấy giống hỗn hợp vào môi trường thạch tối thiểu M2 và

M1 (thạch bằng). Ủ ít nhất 5 ngày

3. Hai giống nấm men đã lai với nhau nếu trên M2 xuất hiện

khuẩn lạc

4. Kiểm tra giống thu nhận có phải là lưỡng bội thể bằng cách: Cấy khuẩn lạc trên môi trường M2 vào môi trường Thạch acetat (M3). Ủ 48h

5. Làm tiêu bản, quan sát dưới kính hiển vi, nếu thấy nang chứa 4 bào tử (tế bào lưỡng bội thể) chứng tỏ lai thành công.

6. Kiểm tra tính trạng cần quan tâm.

4/20/2011

Súng bắn gen

2.1.5.4 Sử dụng kỹ thuật di truyền hiện đại Kỹ thuật biến đổi gen để tạo ra các sinh vật có tính trạng đích theo ý muốn

4/20/2011

2.1.6. Kỹ thuật bảo quản giống VSV

Mục đích: đảm bảo được tính chất của giống (duy trì gần như nguyên vẹn đặc tính ban đầu của giống VSV trước lúc cất giữ) đủ tiêu chuẩn cho quá trình sản xuất.

Nguyên tắc: làm chậm quá trình hô hấp và trao đổi chất ở VSV,

đồng thời ngăn cản sự sinh sản của chúng.

Phương pháp:

Bước 1: Tiền bảo quản (thuần hóa giống). Chọn chủng VSV ở

điều kiện và giai đoạn tối ưu cho bảo quản.

Bước 2: Chọn phương pháp thích hợp cho bảo quản.

2.1.6.1 Bảo quản giống trong thạch nghiêng (cấy truyền định kỳ) Nguyên tắc: luôn đổi mới tế bào, không gây ra bất thường. Biện pháp: môi trường tối thiểu, nếu môi trường giàu dinh

dưỡng, VSV phát triển nhanh sẽ thoái hóa nhanh.

Ưu: đơn giản, dễ thực hiện, ít tốn kém, thích hợp ở quy mô nhỏ Nhược điểm: tốn thời gian, thời gian BQ ngắn (1- 2 tháng) Vô tình đã huấn luyện VSV sống ở điều kiện lạnh, làm biến đổi

giống VSV ban đầu.

2.1.6.2. Bảo quản giống trong lớp dầu khoáng Nguyên tắc: ức chế quá trình hô hấp ở VSV trong cả VSV yếm khí và hiếu khí, hạn chế tiếp xúc với oxy, ngăn hiện tượng mất nước của môi trường và VSV.

Biện pháp: đổ 1 lớp dầu khoáng hoặc parafin lỏng Ưu điểm: đơn giản, hiệu quả cao, thời gian BQ dài (1 năm) Nhược điểm: Có lẫn dầu

4/20/2011

2.1.6.3. Bảo quản giống trong cát, đất sấy khô Nguyên tắc: Sử dụng đất, cát như những giá thể mang. Khi độ ẩm môi trường giảm tối thiểu, VSV không phát triển nữa. (Đất và cát là môi trường tối thiểu) Cách thực hiện: Xử lý đất, cát (rây đều, ngâm trong HCl hoặc H2SO4 đậm đặc 8-12h. Rửa dưới vòi nước cho đến pH trung tính, sấy đất, cát > 1000C. BQ ở điều kiện vô trùng. VSV được nuôi ở môi trường thạch. Đổ cát, đất đã vô trùng vào ống nghiệm, lắc đều, sau đó rót qua ống nghiệm khác. Hàn kín miệng ống Ưu điểm: thích hợp để BQ các giống VSV trong xử lý môi trường, trong nông nghiệp (phân bón) không đòi hỏi mức độ tinh khiết cao. Sử dụng bảo quản giống VSV tạo bào tử. Thời gian bảo quản dài (2 năm) Nhược điểm: không dùng trong sản xuất công nghệ thực phẩm

2.1.6.4 Bảo quản giống trong các hạt ngũ cốc

Nguyên tắc: sử dụng hạt ngũ cốc như giá thể mang

Thường sử dụng BQ các nấm sợi và VSV trong thực phẩm

Mục đích: giữ VSV ở trạng thái tiềm sinh.

Cách thực hiện: Hạt ngũ cốc rời, hấp chín, nuôi nấm mốc trực

tiếp (3 – 5 ngày), sấy ở t0 < 500C đạt độ ẩm W <15%.

Nhiệt độ bảo quản: 15 – 200C

Thời gian bảo quản: 2 năm (châu Âu), 1 năm (Việt nam)

4/20/2011

2.1.6.5 Bảo quản giống trong giấy lọc

Nguyên tắc: áp dụng với VSV có bào tử. Ngoài giấy lọc, có thể

sử dụng B.C (bacterium cellulose)

Cách thực hiện:

1. Chuẩn bị giấy lọc vô trùng:Cắt giấy lọc 1 – 3 cm. Cho giấy

lọc đã cắt vào ống nghiệm, đậy nút bông, sấy 1600 C/ 2h hoặc khử trùng 1210 C/30’.

2. Nuôi VSV trong môi trường lỏng đến khi tạo thành bào tử

3. Dùng pi pet vô trùng hút 1 giọt Vi khuẩn vào giấy lọc. Sấy ở

400 C dến khi thấy miếng giấy lọc khô thì chuyển giấy lọc vào ống nghiệm.

Thời gian BQ: 5 năm

2.1.6.6 Bảo quản giống trong gelantine

Cách thực hiện:

1. Chuẩn bị môi trường: Môi trường N.B bổ sung 10% gelantin và 5% acid ascorbic. Khử trùng 1210C/ 15’

2. Chuẩn bị giống VSV: nuôi giống VSV

3. Trộn VSV với môi trường.

4. Dùng ống nhỏ giọt vô trùng tạo thành từng giọt

gelantine nhỏ. Sấy khô trong tủ hút chân không

4/20/2011

2.1.6.7 Bảo quản giống bằng phương pháp lạnh đông

Nguyên tắc: Sự phát triển của VSV sẽ bị ức chế ở nhiệt độ lạnh sâu. Cần sử dụng chất bảo vệ VSV (glycerin 15%, saccharose 10% + gelantin 10%... Giúp VSV không bị chết ở nhiệt độ lạnh sâu

Thời gian BQ:

ở -300 C: 9 tháng

ở - 400 C: 1 năm

ở - 700 C: 10 năm

2.1.6.8 BQ giống bằng pp đông khô (được sử dụng trong

các ngân hàng giống, cơ quan nghiên cứu lớn)

Nguyên tắc: sấy ở nhiệt độ thấp trong điều kiện chân không, không ảnh hưởng đến chất lượng giống và có thể tạo ra các ống giống theo quy mô công nghiệp.

Cách thực hiện: giống, nhân giống trong môi trường lỏng, kiểm tra giống (đặc điểm sinh hóa, sinh lý), nếu đạt tiêu chuẩn, máy đông khô 24h, hàn nắp lại.

Thời gian bảo quản: 20 năm

Ưu điểm: chất lượng giống không đổi, bảo quản ở nhiệt độ

thường, thời gian bảo quản dài

Nhược điểm: chi phí lớn

4/20/2011

2.2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LÊN MEN (the kinetics of the fermentation processes)

2.2.1. PHƯƠNG TRÌNH MONOD

2.2.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT LM

Mục đích nghiên cứu động học

•Thiết kế 1 quá trình lên men mới •Đánh giá hiệu quả của qt lên men đang thực hiện •Cải tiến quá trình (chất lượng, năng suất, giảm chi phí) •Nâng cấp hoặc giảm quy mô sx

biomass

¿How to describe a fermentation process?

CO2

nutrients

cells

H2O Products

Conversion process of nutrients to products of the microbial metabolism

CHmOl + aNH3 + bO2 → cCHpOnNq + dCHrOsNt + eCO2 + fH2O (1) Substrate

(biomass)

(source of N& O2) Rest of the nutrients

Metabolic by products or Interest product

Yield – is an indicator of the efficiency of the process. From “chemical engineering”: the Yield is stoichiometry of the reaction.

YX/S: biomass-substrate yield = c· Mr(Biomass) / Mr(Substrate) YP/S: product-substrate yield, is calculated through “d” YP/X: product-biomass yield, is calculated through “d/c”

4/20/2011

•Direct estimation of cell number:

Direct estimation of cell mass:

• Microscope count

• Cell dry or wet weight

• Viable plate count

t c e r i

s d o h t e m

• Optical density

• Light scattering

Methods for monitoring fermentation kinetics

+

Cells

Products

O2

+ + CO2 Heat

H2O

Nitrogen source

Carbon & Energy source

Other required nutrients

Monitor CO2 production:

Measure cell components:

Energy balance

Monitor the consumption of the nitrogen source:

IR analysis

Protein

Heat evolution

Monitor the consumption of the carbon source:

Chemical analysis

Mass spectrometer

DNA and RNA

• Chemical analysis

NH3 electrode

• Chromatography

pH-stat

Carbohydrates & Lipids

Nitrate electrode

Enzymes

Monitor product formation:

Chemical analyses

Monitor the consumption of essential nutrients:

Determine O2 consumption: Paramagnetic O2 analyzer

Mass spectrometer

Chemical analysis

Mass spectrometer

pH and viscosity

t c e r i d n I

s d o h t e m

Ion selective electrodes

Dissolved O2

Chromatography (gas and HPLC)

Enzyme electrode

X: VSV (tb/ml)

t: thời gian

P: sản phẩm (g/L)

=µ

1 X

dX dt

S: cơ chất (g/L)

Pha thích nghi µµµµ = 0

Ảnh hưởng của loại cơ chất tới µ

Pha bùng nổ

µ = µmax

Loại cơ chất

µmax (h-1)

Pha ổn định

µ = 0, do dX / dt = 0

Glucose

0,28

Maltose

0,22

µ: tốc độ tạo sinh khối riêng (Specific growth rate )

Maltotriose

0,18

Đường cong sinh trưởng I. Adaptation (thích nghi) II. Exponential (bùng nổ) III. Stationary (ổn định) IV. Accelerated death (suy tàn)

4/20/2011

= maxµµ

S s + S

= µµ

max

S ++

2.2.1.Phương trình Monod µ: tốc độ tạo sinh khối riêng (sự gia tăng sinh khối trong 1 đơn vị thời gian (ngày, giờ) từ 1 đơn vị sinh khối X). µ = dX/XdT (1/ngày; 1/giờ) µmax: hằng số tốc độ sinh trưởng max [S]: nồng độ cơ chất Cơ chất VSV

Ks (mg/L)

S K

Saccharomyces sp. Glucose

E. coli

Glucose

Lactose

Aspergillus sp.

Glucose

Candida sp.

Glycerol

4,5

Oxygen

0,042 – 0,45

0,7

Pseudomonas sp. Methanol

Methane

0,4

Hansenula sp.

Methanol

120

Ribose

KS: hằng số Monod, là nồng độ cơ chất khi tốc độ tạo thành sinh khối = µmax/2. KS được xđ bằng thực nghiệm. KS = f(chủng VSV và cơ chất)

2.2.1.Phương trình Monod (tt)

Phương trình Monod: mối liên hệ giữa nồng độ cơ chất và tốc độ sinh trưởng của VSV

Ý nghĩa thực tiễn của pt Monod:

Tính được, dự đoán được tốc độ tạo sinh khối riêng (µ) ở nồng độ cơ chất (S) nhất định.

Hạn chế:

- Pt Monod không đúng khi [S] quá cao. Khi [S] quá cao thì µ giảm do [S] quá cao: tạo áp suất thẩm thấu, ức chế VSV.

- Pt Monod chỉ đúng trong một khoảng giới hạn của [S]

4/20/2011

2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lên men

2.2.2.1. Ảnh hưởng của giống VSV 2.2.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất 2.2.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, hằng số tốc độ phản ứng tăng, tốc độ phản ứng tăng. Khi giảm nhiệt độ, tốc độ phản ứng giảm, nhưng có tính thuận nghịch. Nếu ta tăng nhiệt độ trở lại vùng tối ưu thì hoạt động của enzyme và tốc độ phản ứng sẽ tăng trở lại 2.2.2.4. Ảnh hưởng của pH enzyme VSV chỉ hoạt động tốt ở pH nhất định. pH tối ưu của mỗi VSV là khác nhau 2.2.2.5. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác: chất ức chế

2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lên men (tt)

IN

Internal

OUT

Cells

External

• Cell. Conc. • Prod. Conc. • Metabolites

• T • pH • Medium • Agit. Areac. • Modo Oper.

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

2.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ LÊN MEN

2.3.1. Chuẩn bị môi trường lên men

2.3.2. Tiệt trùng trong công nghiệp lên men

2.3.3. Các phương pháp lên men

2.3.4. Các thiết bị lên men

2.3.1. Chuẩn bị môi trường

www.gbd.edu.vn

Nguyên tắc thiết lập môi trường:

- Đủ chất và đủ lượng

-Dựa trên nhu cầu dinh dưỡng của VSV về:

Các nguyên tố cơ bản (Macroelements: 90-95% dry mass): C, H, N, H, O (Conc: > 10-4 mol/L) Các nguyên tố khoáng (Microelements): Ca, Mg, Fe, Zn, Mn, Fe, Cu, B, Cr, Mo

Yếu tố sinh trưởng (Growth factors): vitamin B, Amino acids, hợp chất khác (acid béo, acid nucleic)

Môi trường lỏng: chất khô, pH

Môi trường rắn: độ ẩm, chất độn (trấu, rơm…)

4/20/2011

Các bước để chuẩn bị môi trường

2.3.2. Tiệt trùng trong công nghiệp lên men

Tiệt trùng không khí: phương pháp vi lọc, …

Tiệt trùng/ thanh trùng môi trường:

-Phương pháp vật lý: nhiệt độ, nhiệt độ + áp suất, vi lọc

-Phương pháp hóa học: điều chỉnh pH, bổ sung SO2…

-Tiệt trùng thiết bị, hệ thống đường ống, nhà xưởng: U.V, xông formol, hóa chất tẩy rửa…

4/20/2011

2.3.3. PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN

Phân loại phương pháp lên men: (cid:1)Theo sự phát triển của VSV trong môi trường: (cid:3)Lên men chìm: LM trong các fermentor với môi trường lỏng (cid:3)Lên men bề mặt: LM trong các khay với môi trường lỏng hay môi trường có cơ chất rắn hay xốp (cid:1)Theo nguyên lý hoạt động của thiết bị (Operation mode) (cid:3)Lên men tĩnh (lên men theo mẻ) (batch culture) (cid:3)Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất (fed – batch culture) (cid:3)Lên men liên tục (continuous culture) (cid:1)Điều kiện lên men (cid:3)Lên men hiếu khí: thông khí bằng hệ thống trục khuấy có sục khí (sx biomass) (cid:3)Lên men kị khí (sản xuất rượu, bia)

Lên men tĩnh (Lên men theo mẻ- Batch culture)

Air

Culture Media Preparation

Inoculation

Sterilization

Fermentation

Air

Lên men tĩnh được coi là 1 hệ khép kín do không có tác động của các yếu tố bên ngoài (trừ khí)

Harvesting

Cell growth can be expressed as: (cid:3) Dry cell weight (g dry biomass /L culture) (cid:3) Wet cell weight (g wet biomass /L culture) (cid:3) Optical density (O.D) (cid:3) Cell counts on Petri dishes

Other parameters used for the characterization of batch cultures (cid:3)Number of generations or duplications (cid:3)Duplication time (cid:3)Yields: Product/Substrate (YP/S); Biomass / substrate (YX/S) (cid:3)Productivity: Volumetric productivity (P); Specific productivity (qP)

4/20/2011

LnX

Pha Lag: dài từ vài phút tới vài giờ. Tlag = f (đk môi trường: pH, To, MT nuôi cấy và VSV). Tlag không tạo ra sp, ảnh hưởng tới tổng năng suất của qt LM

time

T lag

Năng suất = Lượng SP mong muốn (g/L)

Tổng thời gian lên men (h)

How to minimize the Lag phase ?

Clean &

Unload

Inoculum volume

decontaminate Load

Culture

Sterilize

Fermentor volume

Adaptation Phase Exponential Phase Stationary Phase

Fermentor culture medium

phase

1. Correct ratio (1/5 - 1/10) Inoculum culture medium

Batch culture 3. The inoculum should be in exponential the moment of inoculation

Mass Balance in batch culture

Supposition:

Perfect mixing = all parameters in the fermentor are similar at a time in

any point

For biomass:

Biomass in + Biomass grow = Biomass out + Cumulative Biomass

In a Batch fermentor: grow = cumulative

For substrate:

Substrate in = Substrate out + Metabolized substrate + Cumulative substrate

In Batch fermentor: 0 = metabolized + cumulative

4/20/2011

để

đầu

hợp

Lên men theo mẻ- Batch culture

Nhược điểm (cid:1)Năng suất thấp. Nồng độ cơ chất cao ức chế VSV. (cid:1)Không kiểm soát được tốc độ sinh trưởng của VSV. (cid:1)Tính đồng đều của SP không cao so với các PP khác. (cid:1)Chi phí lớn (hệ thống tiệt trùng bằng hơi nước, nước vệ sinh thiết bị, điện, diện tích, sức lao động

Ưu điểm Đơn giản, hạn chế được sự lây nhiễm. bắt Thích nghiên cứu 1 sản phẩm. Cho phép chọn các thông số và nghiên cứu được sự tương tác của chúng. Xđ được MT dinh dưỡng, µ, tốc độ tối ưu tạo thành sp

Khắc phục nhược điểm của Batch culture bằng Fed- Batch Culture và Continuous Culture

Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất (Fed-batch culture)

What is it?

Starts with a batch culture which, after a specific time, is fed with fresh medium. The addition of fresh medium can be synchronized with the depletion of the growth-limiting substrate from the starting culture medium.

1

Fermentor sterilization

Fermentor inoculation

Air

Preparation of the starting culture medium

Fermentation

2

Feed addition

Feed sterilization

Preparation of the feed culture medium

Air

Harvesting

4/20/2011

Nhược điểm (Disadvantages) Trang thiết bị đắt tiền, yêu cầu kỹ thuật cao hơn pp LM tĩnh Tích lũy các chất ức chế sự sinh trưởng tạo thành trong quá trình TĐC Accumulation of growth- inhibiting metabolites Nếu số tế bào/thể tích môi trường quá lớn thì có khả năng Possibility of induction of contact inhibition if the number of cells per culture volume is too large

Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất - Fed-batch culture Ưu điểm (Advantages) Thời gian của các đk sinh trưởng tối ưu được kéo dài do các chất ức chế bị pha loãng và các chất dinh dưỡng chính được chuyển hóa như nhau ở mọi thời điểm LM •Tăng năng suất của quá trình do giảm 1 số công đoạn (rửa thiết bị, tiệt trùng, loading và unloading). •Sản phẩm có tính đồng nhất cao

Lên men liên tục - Continuous culture

What is it?

Starts with a batch culture to which, after a specific period, fresh culture medium is added, and cells plus exhaust medium are removed at a rate that keeps culture conditions constant. When the interval between successive additions and extractions decreases, the culture is named continuous and its volume remains constant.

Fresh culture medium

Air

1

Fermentor sterilization

Fermentor inoculation

Preparation of starting culture medium

Fermentation

2

Feed addition

Feed preparation

Feed sterilization

Spent culture medium, cells, Air

Harvesting

4/20/2011

Lên men liên tục - Continuous culture

Nhược điểm •Nguy cơ vấy nhiễm cao •Khả năng xuất hiện đột biến cao •Chi phí thiết bị đắt tiền •So với các pp khác, pp này chưa có nhiều kinh nghiệm áp dụng ở quy mô công nghiệp

Ưu điểm •Dịch lên men luôn được bổ sung nên các chất ức chế bị pha loãng •Tăng năng suất của quá trình do YX/S, YP/S không đổi (= constant) •Điều khiển và kiểm soát được tốc độ cơ chất chính vào thiết bị nên duy trì µ ở YP/S tối ưu •Tăng năng suất của quá trình do giảm 1 số công đoạn (rửa thiết bị, tiệt trùng, loading và unloading). •Sản phẩm có tính đồng nhất cao

2.3.4. Thiết bị lên men

PHÂN LOẠI THIẾT BỊ LÊN MEN (cid:1)Theo nguyên lý hoạt động: fermenter hoạt động liên tục, gián đoạn, bán liên tục (cid:1)Theo cấu trúc thiết bị: fermenter có cánh khuấy (Shaking Tank), không có cánh khuấy (cid:1)Theo hình dạng thiết bị: Thùng (H/Ф ≤ 3); Tháp (H/Ф > 3); Ống (dạng tháp để nằm ngang, ít sử dụng) (cid:1)Theo năng suất: nhỏ, vừa, lớn

Fermenter Types: Shaking Tank, Bubble Column, Airlift, Packed Bed, Fluidized Bed

4/20/2011

Some types of impellers

Anchor

Rake anchor

Baffles

Rushton Turbine

Propeller

Fermentor: Shaking tank

Mechanical agitation

Variety of de impelents

Palette

Coiled helix

Baffles **

Working volume = (60-70) % of V tank

Height – Diameter ratio H/D =1; H/D > 1

Heat transfer **

CYTOLIFT

V= 580 ml

H= 38 cm

D= 10 cm

Airlift

4/20/2011

Heat transfer in bioreactors

a) Continuous jacket b) External coiled jacket c) Internal coiled jacket d) Coiled baffles e) With external heat interchanger

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

Fermentor lên men bia tại Jangjing Beer. Chụp bởi BHQ 2007

600 BC XIX century

XX century

Spontaneous, natural processes

Submerged Anaerobic & Superficial Aerobic cultures

Submerged Aerobic Culture

CHmOl + aNH3 + bO2 → ycCHpOnNq + zCHrOsNt + dCO2 + cH2O

The oxygen demand of the cell and the low solubility of oxygen in water, required a continuous air supply into the fermentor and a continuous transfer of oxygen from the gas phase into the liquid phase

Cần xđ nhu cầu oxy

How is the oxygen transfer into the fermentor?

4/20/2011

Oxygen Mass Balance:

yO2out, QEA , ρEA

O2 in - O2 out = O2 metabolized + O2 cumulative

Condenser

O2 in = yO2 in·QAir·ρAir

manometer

O2 out = yO2 out·QEA·ρEA O2 metabolized = qO2·X·V

O2 cumulative = d(CO2·V)/dt = V·dCO2/dt

O2 probe

Assuming: QAir·ρAir = QAE·ρAE

pO2

Flow meter

yO2in, Qair, ρAir

Bioreactor

∆yO2·QAir·ρAir = V·(qO2·X + dCO2/dt)

0.2 µ-Filter

Motor, P

OTR – Oxygen Transfer Rate

But the oxygen transfer in a fermentor finds resistances before to reach the cells

Mass transfer takes place by two basic processes: Convection and Diffusion

Therefore, a full treatment of mass transfer requires a fully known flow field.

However, a simplified treatment in which the overall mass transfer is schematically divided into different transfer steps is used with good results

4/20/2011

1. Diffusion of the O2 from the bulk gas

to the gas liquid interface

General mechanism of O2 transfer

2. Transport across the gas liquid

interface

the O2

stagnant

through a region

liquid

3. Diffusion of relatively adjacent to the gas bubble

4. Transport of O2 through the well- mixed liquid to a relatively unmixed liquid region surrounding the cells.

5. Diffusion throught the stagnant region surrounding the cells.

6. Transport from the liquid to the pellet cell aggregate

7. Diffusive transport of oxygen into the pellet

8. Transport across the cell envelope

9. Transport from the cell envelope to the intracellular reaction site. e.g

mitochondria

5, 6 and 7 are relevant only for processes in which pellets or cell aggregates appear

How we can improve the YP/X? Strain development approach - Fermentation process optimization

2.4. CẢI TIẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

Phần 3: Công nghệ lên men ứng dụng 3.1. Lên men ethanol và các ứng dụng

3.2. Công nghệ sản xuất acid hữu cơ thực phẩm

3.3. Công nghệ sản xuất acid amin

3.4. Công nghệ sản xuất sinh khối vi sinh vật

3.5. Công nghệ sản xuất polysaccharide từ VSV

3.6. Công nghệ enzyme

3.7. Công nghệ sx các sp lên men truyền thống

www.gbd.edu.vn 3.1. LÊN MEN ETHANOL VÀ CÁC ỨNG DỤNG

3.1.1. Công nghệ sản xuất ethanol

3.1.2. Công nghệ sản xuất rượu cao độ

3.1.3. Công nghệ sản xuất bia

3.1.4. Công nghệ sản xuất rượu vang

4/20/2011

3.1.1. Công nghệ sản xuất ethanol

(cid:1)3.1.1.1.GIỚI THIỆU VỀ ETHANOL (cid:1)3.1.1.2. NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL (cid:1)3.1.1.3. PP SẢN XUẤT ETHANOL (cid:1)3.1.1.4. SẢN XUẤT ETHANOL BẰNG PP LÊN MEN (cid:1)3.1.1.5. CHƯNG CẤT & TINH CHẾ ETHANOL SAU LÊN MEN (cid:1)3.1.1.6. SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH LM ETHANOL (cid:1) 3.1.1.7. ETHANOL – GREENFUEL

3.1.1.1. GIỚI THIỆU VỀ ETHANOL

• Các hình ảnh khảo cổ về việc làm rượu từ khi nền nông nghiệp xuất hiện (người Xume, 4000 B.C)

• Tìm thấy rượu trong lăng mộ của người Ai Cập

CTHH: C2H5OH, M= 46

Chất lỏng, trong suốt, không màu, mùi vị đặc trưng

20 = 0,79067; d20

4 = 0,78927

Tỷ trọng d20

Nhiệt độ sôi: 78,35oC

Độc đối với người và VSV

4/20/2011

(cid:3)Uống ít không gây ảnh hưởng đến tim nhưng uống nhiều có thể làm tê liệt hệ thống thần kinh và gây ảnh hưởng xấu đến hệ thống tuần hoàn máu. (cid:3)Lượng rượu trong máu: 0.5‰ - 2‰ có thể gây say

4‰ có thể dẫn đến chết người.

(cid:3)Hấp thụ nhanh vào thành dạ dày (29%) (xảy ra nhanh nhất khi dạ dày rỗng) phần còn lại được hấp thu ở ruột non. (cid:3)Ethanol được hấp thu sẽ được oxy hoá 90-98 %. Người trưởng thành có thể oxy hoá khoảng 10 ml/h, phụ thuộc vào nồng độ cồn trong máu. Uống nhiều sẽ gây sự hấp thu nhanh hơn tốc độ oxy hoá, dẫn đến gây độc. (cid:3)Ethanol không được oxy hoá có thể rời cơ thể theo phổi và thận, nó cũng có thể được tìm thấy trong mồ hôi, nước mắt, mật, nước miếng ở lượng nhỏ.

Ảnh hưởng của ETHANOL với sức khỏe người Ảnh hưởng của ETHANOL với sức khỏe người

(cid:3)Methanol (rượu gỗ) là một chất độc chết người, gây cho những người nghiện rượu tình trạng mù hay chết.

(cid:3) Methanol dần dần thấm vào ruột non khi nhóm methyl của aspartame gặp enzyme chymotripsin.

(cid:3)Một đánh giá của EPA về trạng thái của methanol cho rằng “methanol được xem như một độc chất được tích luỹ vì tỉ lệ bài tiết rất thấp”.

(cid:3) Trong cơ thể, methanol được oxy hoá thành formaldehyt và acid formic; cả hai chất chuyển hóa này đều là chất độc thần kinh chết người. (cid:3) Liều lượng tiêu thụ cho phép khoảng 7,8mg / ngày

Ảnh hưởng của ETHANOL với sức khỏe người Ảnh hưởng của ETHANOL với sức khỏe người

4/20/2011

Ảnh hưởng của FURFUROL với sức khỏe người Ảnh hưởng của FURFUROL với sức khỏe người Là chất độc với hệ thần kinh, gây nhức đầu, buồn nôn. (cid:3)Uống rượu có hàm lượng furfurol cao quá mức cho phép gây tích tụ trong dịch của phổi (phù phổi). (cid:3)Fufurol có thể gây dị ứng da, nếu sự dị ứng phát triển cao, có thể gây ngứa và nổi mụn ở da. Tình trạng trên nếu tiếp tục có thể gây mất vị giác, tê lưỡi, đau đầu, mệt và rùng mình. Tình trạng kéo dài có thể ảnh hưởng tới gan. (cid:3)Tiếp xúc lâu dài với furfurol có nguy cơ gây ung thư và nguy cơ đối với sinh sản.

Ảnh hưởng của ETHANOL với VSV Ảnh hưởng của ETHANOL với VSV

www.gbd.edu.vn

Ethanol xâm nhập vào màng tế bào VSV, gây đông tụ một số protein, ảnh hưởng đến quá trình TĐC của tế bào. VSV bị chết hoặc bị ức chế

Sản lượng ethanol trên TG (cid:3)Brasil: sx 0,9-1 triệu lít ethanol/ ngày (đứng đầu thế giới) (cid:3)2007, sản lượng ethanol toàn cầu: 55,7 tỷ lít (cid:3)2015, sản lượng ethanol toàn cầu: 162 tỷ lít (Theo FAO, Ủy ban Kinh tế Mỹ Latinh (CEPAL) và Ngân hàng phát triển Braxin (BNDES)

4/20/2011

TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ETHANOL Ở VN

(cid:3)1898, sản xuất công nghiệp rượu ở VN. (cid:3)1962-1965, xuất khẩu rượu sang Đông Âu, chủ yếu là Liên Xô (cid:3)1975-1978, nhà máy rượu Hà Nội sản xuất >8 triệu lít cồn/ năm, 12 triệu lít rượu mùi/ năm (xuất khẩu 6 triệu lít/ năm). (cid:3)1970-1980, xây dựng các xí nghiệp rượu địa phương (qui mô 100 - 500 nghìn lít cồn/ năm). Cả nước có gần 300 nhà máy rượu lớn nhỏ, tổng công suất 40-80 triệu lít/ năm (chưa kể lượng rượu dân nấu tự do). (cid:3)1997, sản lượng rượu quốc doanh đạt 17 triệu lít/ 1997. Nếu kể cả của dân thì đạt 264 triệu lít). Bình quân 3,4 lít/ người/ năm. (cid:3)2005, có khoảng 180 -200 triệu lít rượu các loại, trong đó rượu cồn từ tinh bột chiếm 30 - 40%.

TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ETHANOL Ở VN

9/2007, Cty Petrosetco ký thỏa thuận hợp tác thành lập liên doanh xây dựng nhà máy sx Ethanol với Tập đoàn Itochu Nhật Bản. Nhà máy dự định đặt tại KCN Hiệp Phước - TP.HCM với công suất 100 triệu lít Ethanol/ năm từ sắn lát.

Với 1,2 triệu tấn sắn lát xuất khẩu hàng năm, Việt Nam có thể sản xuất được ít nhất 400 triệu lít Ethanol/ năm.

Ethanol sẽ dùng để pha vào xăng (đáp ứng 50% nhu cầu của thị trường xăng Việt Nam)

4/20/2011

VAI TRÒ CỦA ETHANOL

•Lĩnh vực phi thực phẩm •Lĩnh vực thực phẩm

•Sx đồ uống có chứa liqueur, ethanol (vodka, vang)

•Dược học •Y học: chất sát trùng •Năng lượng •CN hóa học •Sản xuất acid acetic

3.1.1.2. NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL

- NGUYÊN LIỆU sx Ethanol theo quy mô CN

•Nguyên liệu chứa đường: mật rỉ

•Nguyên liệu chứa tinh bột: gạo, khoai mì (sắn), bắp (ngô)…, nước thải chứa tinh bột (bã khoai mì)

•Nguyên liệu chứa cellulose (rơm, trấu, bã mía

•Whey (lactoserum)

4/20/2011

3.1.1.3. PP SẢN XUẤT ETHANOL

PP LÊN MEN PP HÓA HỌC

Tinh bột/Cellulose C2H4 + H2O

Xúc tác

C6H12O6 C2H5OH

VSV

2C2H5OH + 2CO2

1.1.1.4. SẢN XUẤT ETHANOL BẰNG PP LÊN MEN

4/20/2011

Chỉ tiêu

Thành phần hoá học của một số nguyên liệu chứa tinh bột trong sx ethanol (%)

Carbohydrate Protein Xơ thô Lipid Nước

Khoai tây 12 - 21 1,2 – 3,2 0,5 – 1,5 0,1 – 0,3 72 -80

Ngô 68,4 8,3 4,1 5,1 12,5

Sắn Gạo tẻ Tấm 42,0 69,2 74,74 5,3 7,3 0,205 22,5 0,5 1,11 2,0 1,2 0,41 11,5 11 13,12

3.1.1.4.1. LM ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột

PP sx

VSV

Đặc điểm của pp

Nguyên liệu

Bánh men Đơn giản, hiệu suất

Phạm vi áp dụng Hộ gia đình

thấp

LM truyền thống Amylose

Quy mô sx CN

VK lactic + mốc+ men

Đòi hỏi kỹ thuật cao khi cấy VSV vào bình lên men

Nguyên liệu chứa tinh bột

Mycomalt

Chế phẩm mốc + men

Tốn diện tích, công sức

Quy mô sx vừa & CN

LM CN

Amylase + men

Yêu cầu thiết bị hiện đại, hiệu suất cao

Quy mô sx CN

LM ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột bằng pp lên men

4/20/2011

1,5 – 2,5%

Quy trình sx rượu theo pp lên men truyền thống

Hình ảnh trong sx rượu thủ công tại VN

4/20/2011

Sản xuất ethanol bằng pp lên men (tt)

Chế phẩm VSV (mốc)

Men S. c

Phương pháp mycomalt: gđ đường hóa và rượu hóa diễn ra ở 2 thiết bị.

Quy trình sx rượu theo pp mycomalt

Thủy phân tinh bột bằng malt, chế phẩm nấm mốc

Quy trình sx rượu từ ngô theo pp mycomalt

4/20/2011

Sản xuất ethanol bằng pp lên men (tt)

VSV (VK, mốc, men)

Đường hóa, rượu hóa

Phương pháp amylose: gđ đường hóa và rượu hoá xảy ra gần như đồng thời, trong cùng thiết bị

Quy trình sx rượu theo pp amylose

Quy trình sx ethanol theo quy mô CN

Thủy phân tinh bột bằng enzyme

VSV

Men Saccharomyces cerevisiae

VK Zymononas mobilis

VK E.coli (đã chuyển gen)

4/20/2011

THIẾT BỊ NGHIỀN NGUYÊN LIỆU (tinh bột)

Máy nghiền búa kiểu giọt nước

Nghiền trục

Nghiền cao áp

Nghiền bột mịn

4/20/2011

Lên men ethanol từ TB theo quy mô CN NẤU NGUYÊN LIỆU – HỒ HÓA - GELATINISATION

Mục đích

•Phá vỡ màng tế bào của hạt tinh bột

•Chuyển hoá tinh bột sống thành tinh bột chín

•Chuyển tinh bột thành dạng hòa tan

Thông số kỹ thuật

Nhiệt độ nấu = f (nguyên liệu và kích thước của hạt tinh bột)

Phương pháp (cid:3)Gián đoạn (cid:3)Bán liên tuc (cid:3)Liên tục

LÊN MEN ETHANOL TỪ TB - THỦY PHÂN TB = enzyme

DỊCH HÓA

•Chuyển tbột thành đường, cung cấp cơ chất cho qt lên men •Quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rượu.

ĐƯỜNG HÓA

4/20/2011

LÊN MEN ETHANOL TỪ TB THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÔI TRƯỜNG LÊN MEN

Nồng độ chất khô: 16 – 18% Hàm lượng đường khử: 90 -100 g/L Khoáng (Nitơ, Mg, P…) Chỉnh pH: pHop 4,5 - 5

Dịch lên men

THÔNG SỐ KỸ THUẬT TẠI CTY RƯỢU BÌNH TÂY

Trình tự công việc

To (oC)

phút

32 ÷ 83 83 83 ÷ 95

40 50 15

95 ÷ 58

Xuống bột: 1080 L nước + 300kg gạo (xay ≤1mm) + 445g CaCl2 + 283mL Termamyl Nâng nhiệt Giữ nhiệt Nâng nhiệt Giữ nhiệt, cho vào 120mL H2SO4 Bơm và hạ nhiệt dịch nấu bằng corbin sang thùng đường hóa, đảm bảo To thùng đường hóa là 58oC Cho 32g San super, đảo trộn, giữ nhiệt

56 ÷ 58

56 ÷ 30

dịch không làm mất màu iod, hạ nhiệt Bơm sang thùng lên men, + 50g ure

12oP 16oP 18oP Dịch lên men từ sắn Dịch LM từ rỉ đường Yêu cầu Nitơ trong dịch lên men (nitơ hữu cơ, vô cơ) 140 -150 mg/L 200 mg/L > 280 mg/L 300 mg/L 150 – 200 mg/L

4/20/2011

THÔNG SỐ KỸ THUẬT TẠI CTY RƯỢU BÌNH TÂY

Trình tự công việc

To (oC)

phút

Lên men: tỷ lệ men 8 – 10%

Kiểm tra mẫu sau 4 ngày lên men: độ Bal, độ chua Kết thúc lên men: Bal <0; độ chua < 2,5mg/L; độ rượu > 10%v/v Lọc bằng máy ly tâm Chưng cất (600mm Hg)

68 - 72

Lọc lạnh rượu thành phẩm ở 5oC

Chỉ tiêu

Mật rỉ sx công nghiệp

Úc

Năng lượng thô (MJ/kg VCK)

9,47

9,87

VCK (%)

75,9

76,7

Đường khử (%)

34,6

Saccharose (g/100g VCK)

23,3

21,2

Glucose (g/100g VCK)

5,1

8,7

Fructose (g/100g VCK)

6,2

8,47

Nitơ (g/100g VCK)

0,46

0,29

Protein thô (%)

2,87

1,80

Khoáng (g/100g VCK)

11,7

6,2

Ca (g/100g VCK)

0,48

0,44

Mg (g/100g VCK)

0,32

0,18

K (g/100g VCK)

1,94

0,92

P (mg/100g VCK)

Na (mg/kg VCK)

661

S (g/100g VCK)

0,3

0,33

Cu (g/kg VCK)

1,58

3,01

Fe (mg/kg VCK)

417

Mn (mg/kg VCK)

Zn (mg/kg VCK)

3,8

12,6

3.1.1.4.2. LM ethanol từ nguyên liệu chứa đường (mật rỉ)

THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MẬT RỈ

4/20/2011

Quy trình sx ethanol từ mật rỉ

LÊN MEN ETHANOL TỪ MẬT RỈ

4/20/2011

LÊN MEN ETHANOL TỪ MẬT RỈ

3.1.1.4.3. LM ethanol từ nguyên liệu chứa CELLULOSE

4/20/2011

CELLULOSE

4/20/2011

LÊN MEN ETHANOL TỪ CELLULOSE - THỦY PHÂN

Tác nhân thủy phân

•Acid

•Chế phẩm nấm mốc

•Chế phẩm enzyne cellulase (thủy phân liên kết 1,4- beta-D-glycosidic trong cellulose, lichenin và beta-D- glucans)

Thủy phân cellulose bằng enzyme

•Kết hợp acid và enzyme

4/20/2011

Thủy phân cellulose và hemicellulose bằng mốc Trichoderma reseii

Sơ đồ quy trình LM ethanol từ nguyên liệu chứa CELLULOSE

4/20/2011

3.1.1.5. CHƯNG CẤT (DISTILLATION) & TINH CHẾ (RETIFICATION) ETHANOL SAU LÊN MEN

Quá trình thu ethanol và tạp chất dễ bay hơi từ dịch đã lên men

•Chưng cất: thu sản phẩm cồn thô (raw spirit) 82 – 87%

•Tinh chế: thu sản phẩm cồn tinh luyện 94 – 98%

•Kết hợp chưng cất & tinh chế: sử dụng nhiều tháp chưng cất

CHƯNG CẤT ETHANOL LIÊN TỤC (continuous rectifier )

U: thiết bị thu hồi nhiệt

B: cột tinh luyện C, D: bộ phận ngưng tụ R: bộ phận làm lạnh sp E: máy xác định v cồn

4/20/2011

Thiết bị chưng cất tại nhà máy rượu Bắc Kinh TQ

Dây chuyền đóng chai tại nhà máy rượu Bắc Kinh TQ

3.1.1.6. CÁC SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH LM ETHANOL

Sản phẩm phụ

• Men

in water free to higher • CO2

•Hèm rượu

compounds: sulphur

Sản phẩm: C2H5OH Aldehydes: by oxidation of alcohol Acids: by oxidation of aldehydes Fusel Oil: by conversion of amino acids alcohols Easters: by esterification of alcohols and acids by Volatile combination of sulphate and sulphur with amino acids

4/20/2011

CÁC SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA ETHANOL

Nồng độ rượu ở 15oC Acid hữu cơ (tính theo mg acetic/l ) Furfurol Metanol Aldehyde tổng số (mg/L) Rượu cao phân tử (mg/L) Este (mg/L) Hàm lượng kim loại đồng ( Cu mg/l ) Xyanhydric ( HCN mg/l cồn 100o ) > 96,2 < 15 0 0 < 4 < 4 < 30 < 30 <50

(với cồn sx từ khoai mì

SX ETHANOL BẰNG PP LÊN MEN

CÁC SẢN PHẨM PHỤ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL – BÃ MEN

HƯỚNG SỬ DỤNG MEN

(cid:2)Men bánh mì

(cid:2)SPC (Thức ăn cho gia súc)

(cid:2)Cao nấm men (yeast extract)

4/20/2011

CÁC SẢN PHẨM PHỤ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL – HÈM RƯỢU

Thành phần

Dịch hèm từ nguyên liệu Khoai mì Khoai tây

3,3

14,2

2,7 8,1

1,8 2,8

49,9

74,2

Chất khô (%) Protein thô (% tổng chất khô) Lipid Cellulose Chất chiết phi nitơ Tro

12,6

6,7

HƯỚNG SỬ DỤNG HÈM RƯỢU

(cid:2)Thức ăn cho gia súc (cid:2)Nguyên liệu làm phân vi sinh (cid:2)Nguyên liệu sx vitamin bằng VSV

CÁC SẢN PHẨM PHỤ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL – CO2

Quy trình xử lý CO2 Sản phẩm

KMnO4/ K2Cr2O7

(cid:2)Bổ sung vào nước lon, bia ngọt gas, có Champagne (cid:2)Nuôi tảo Rửa nước

Nén hóa lỏng Oxi hóa

Tách nước Xử lý bằng than hoạt tính, silicagel

Làm nguội Tách dầu

4/20/2011

SX ETHANOL BẰNG PP LÊN MEN HIỆU SUẤT THU HỒI ETHANOL

3.1.1.7. ETHANOL - GREENFUEL

Nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu truyền thống đang cạn kiệt

Mật rỉ, bắp, phụ phẩm nông nghiệp, cellulose…

4/20/2011

Nguyên liệu

Nhiên liệu sinh học/ tổng lượng xăng dầu Năm 2010: 5,7%

Mỹ Pháp Ấn Độ

Năm 2012: 24 tỉ lít Năm 2010: 7% Năm 2012: 5,%

Bắp, củ cải đường, mía, sắn Bắp Củ cải đường Cây Jatropha, Pongamia

Trung Quốc Cây lúa miến

Tăng 12 triệu tấn nhiên liệu sinh học/năm

Philippines Mía, Cây lúa miến Thái Lan

Năm 2010: 3 triệu lít

Mía, sắn Mía

Brasil

CHÍNH SÁCH PHÁT TRIỂN GREENFUEL

Production of bioethanol from sugar cane or sugar beet

This is the simplest of all the processes for producing bioethanol by fermentation. Sugar cane has an energy production per hectare that is substantially higher than the other feedstocks considered here, but the process conversion efficiency is only about 0.35-0.40 GJ bioethanol per GJ feedstock. The sugar cane residue or bagasse can be burned to generate electricity, producing about 0.08 GJ electricity per GJ feedstock.

4/20/2011

Production of bioethanol from corn using wet or dry milling

Wet milling, several types of residues are produced; dry milling produces only one type of animal feed product. The starches were broken down into C6 sugars. The current conversion efficiency of both process routes is about 0.55 GJ of ethanol per GJ wheat (USDA 2002). The processes are well established but there is some limited scope for efficiency improvements.

Production of Bioethanol from wheat from malting and fermentation

The process is similar and very slow. The wheat is first crushed or milled. In its passive form, malting is a process by which under controlled conditions of temperature and humidity, enzymes present in the wheat break down starches into C6 sugars. These sugars are washed out of the wheat with water, whilst the leftover residue can be sold for animal feed. Fermentation at 32-35oC; pH 5.2. Ethanol is produced at 10-15% concentration and the solution is distilled to produce ethanol at higher concentrations.

4/20/2011

Production of bioethanol from wood or straw by acid hydrolysis and fermentation

It requires the production of ethanol from both C5 and C6 sugars. This process is technically feasible but is complex and expensive and there are few industrial examples. Ongoing research and development in the US aims to address cost issues and develop a more efficient process. This is thought by many to be a step on the way to the eventual goal of an enzyme hydrolysis process

4/20/2011

SC water: supercritical water

4/20/2011

9 FUEL ICONS Unleaded Petrol Super Unleaded High Octane Diesel Bio-Ethanol Bio-Diesel CNG LPG Leaded Four Star.

3.1.2. Công nghệ sản xuất rượu cao độ

www.gbd.edu.vn

3.1.2.1. SX RƯỢU RUM TỪ MÍA

4/20/2011

Husks

the discarded husks of All the sugar cane. The first step in making rum is to crush the cane to get out all the juice- you can see they make a lot of rum here at River's.

After all the sugar cane juice is squeezed out, the next step in the process of making rum is to boil it down in giant kettles (ex: copper kettles) - like the ones you see here.

SX RƯỢU RUM TỪ MÍA

4/20/2011

After the sugar cane juice is boiled down in the coppers it has to ferment for a couple of days.

Condenser The final step is the condenser, where the alcohol gets seperated out thru coils and a cooling process. What comes out is the final product- pure white rum.

SX RƯỢU RUM TỪ MÍA

SX RƯỢU RUM TỪ MẬT RỈ

4/20/2011

SX RƯỢU RUM TỪ MÍA

Whisky: The difference between rum and whisky manufacture begins with the starting point. Whisky starts with barley that must be malted before it is converted from a starch to a sugar that can be fermented. After fermentation, it is also distilled usually using a pot still or single column.

yield stills

Cognac: The sugar that is fermented to make cognac, come from grapes. As is the French style, only grapes grown in a particular area in France can be used. First the grapes are fermented into wine and this is distilled in special cognac. to Brandy is made the same way but because the grapes aren’t grown in the Cognac region, it can not be called cognac. All spirits are aged in a special barrel prior to blending and bottling.

4/20/2011

3.1.3. Công nghệ sản xuất bia

www.gbd.edu.vn

(cid:1)3.1.3.1. GIỚI THIỆU VỀ BIA (cid:1)3.1.3.2. NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT BIA (cid:1)3.1.3.3. VSV TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA (cid:1)3.1.3.4. CÔNG NGHỆ LÊN MEN BIA (cid:1) SẢN PHẨM

3.1.3.1. GIỚI THIỆU VỀ BIA - LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN (cid:3)7000 B.C, Người Babylon (đưa ra văn tự luật pháp quy định về việc bán rượu bia) đã pha chế được 20 loại bia. (cid:3)3000 B.C, người Ai Cập cổ đại phát minh ra ống hút để uống bia còn lợn cợn vỏ lúa mì (cid:3)500 – 400 B.C, bia là sản phẩm dành cho người lao động (cid:3)768: Baviere sử dụng hoa houblon (trước kia dùng thảo mộc để tạo vị đắng cho bia) (cid:3)1516: luật sx bia đầu tiên được áp dụng (bia nấu từ malt đại mạch, hoa houblon và nước (cid:3)1857: Pasteur nghiên cứu quá trình lên men ethanol, thanh trùng bia ở 63oC/ 20 – 30’ (cid:3)1883: Hansen và giống men thuần khiết

4/20/2011

GIỚI THIỆU VỀ BIA – Sản lượng bia

Sản lượng bia trên thế giới: >120 tỉ lít/năm

Lượng bia tiêu thụ:

CHLB Đức 170L/người/năm

Babylonia's table (6000 BC): Describe the beer preparation

VN: 5 – 10 L/người/năm

GIỚI THIỆU VỀ BIA Luật sx bia

100%

•Đức: malt đại mạch

•Bổ sung caramen

Men giống không có tế bào chết

20–30%

•Bổ sung acid

•Pháp: sử dụng 30% thế liệu •VN: gạo

Nguyên liệu Phụ gia Công nghệ Sản phẩm

4/20/2011

Sản lượng bia trên thế giới: >120 tỉ lít/năm

Lượng bia tiêu thụ:

CHLB Đức: 170L/người/năm

GIỚI THIỆU VỀ BIA - CÁC HÃNG LỚN SX BIA TRÊN THẾ GIỚI (cid:3)Anherue busch (Mỹ) (cid:3)Heineken (Hà Lan) (cid:3)Miller (Mỹ) (cid:3)Kirin (Nhật) (cid:3)Foster’s (Úc) (cid:3)Danone (Pháp) (cid:3)Brahma (Brasile) (cid:3)Guiness (Anh) (bia đen) (cid:3)SAB (Nam Phi) (cid:3) Pilsen (Tiệp) (cid:3)Carlsberg (Đan Mạch) (men chìm)

VN: 5 – 10 L/người/năm

PHÂN LOẠI BIA THEO NHÀ SX

4/20/2011

PHÂN LOẠI BIA THEO NHÀ SX

PHÂN LOẠI BIA THEO MÀU SẮC

VÀNG XANHwww.gbd.edu.vn ĐEN

4/20/2011

GIỚI THIỆU VỀ BIA

Weizen

Bia đen Munich

Bia là sản phẩm của quá trình lên men ethanol từ dịch nha, không qua chưng cất

3.1.3.2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA

(cid:4)Nguyên liệu chính: malt đai mạch (cid:4)Thế liệu: nguyên liệu giàu glucid (cid:4)Hoa Houblon (cid:4)Nước

4/20/2011

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - MALT ĐẠI MẠCH

Hạt đại mạch

Nảy mầm

Hoạt hoá và tích luỹ hệ enzyme (amilase, protase)

Hạt malt

Nguyên liệu chính để sản xuất các loại bia.

Đại mạch nảy mầm và sấy đến độ ẩm bắt buộc

Hệ enzyme trong hạt malt sẽ làm nhiệm vụ cắt các hợp chất cao phân tử trong nội nhũ của hạt thành các chất có trọng lượng phân tử thấp hơn (dextrin, acid amin, pepton, đường đơn…) hoà tan vào nước để trở thành chất chiết của dịch đường.

Chỉ tiêu chất lượng malt (tt)

Màu nước malt

2,8 – 3,5 oEBC

Chỉ tiêu chất lượng malt Vàng rơm

Màu sắc

Mùi vị

Thơm

Pr tổng số

9 – 13 %

Độ chiết suất

> 785

Pr hòa tan

Min 4,5 %

Chỉ số Kolback

42 – 48%

Hoạt lực enz

> 285 oWK

Độ ẩm

< 4,5

Độ nhớt

Mã 1,6 cp

pH nước malt

5,8 – 6,3

Độ xốp

Min 84%

Tg đường hóa

10 – 15’

Cỡ hạt >2,5mm

>92%

Cỡ hạt <2,2mm

<1,6%

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - MALT ĐẠI MẠCH

4/20/2011

nguyên liệu giàu glucid, thay thế một phần hoặc toàn bộ malt đại mạch trong sx bia

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - THẾ LIỆU

THẾ LIỆU tây,

THẾ LIỆU CHỨA TINH BỘT: hạt đại mạch, tấm gạo, (VN), bắp tách phôi khoai (châu Âu), mì, khoai tinh bột

THẾ LIỆU CHỨA ĐƯỜNG: saccharose, syrus thuỷ phân tinh bột (maltose, glucose)

www.gbd.edu.vn

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - THẾ LIỆU

ƯU ĐIỂM

Hạ giá thành sản phẩm

Cải thiện một vài tính chất của sản phẩm (tăng độ bền của keo…)

NHƯỢC ĐIỂM •Ảnh hưởng cho quá trình nấu (do thế liệu có ít hoặc ko có enzyme) •Ảnh hưởng tới quá trình lên men (Protein hòa tan trong dịch nha giảm, không cân đối thành phần dinh dưỡng) Tạo ra chủng loại bia có các mức độ chất lượng khác nhau

4/20/2011

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - THẾ LIỆU

THẾ LIỆU SỬ DỤNG TẠI VN - GẠO cấu trúc hạt tinh bột chặt, nhiệt độ hồ hóa cao, khó đồng hóa Bia Heineken: 100% malt đại mạch Bia Tiger: 15% gạo Bia Sài Gòn: 20% gạo

THẾ LIỆU SỬ DỤNG TẠI CHÂU ÂU – BẮP

Tách phôi để loại chất béo

Chất béo phá hủy hệ bọt, ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - HOA HOUBLON (cid:4)Nguyên liệu không thể thay thế trong công nghệ sx bia (cid:4)Tạo vị đắng dịu, hương thơm đặc trưng (cid:4) Tăng khả năng tạo và giữ bọt (cid:4) Tăng độ bền keo và tính ổn định sinh học của sản phẩm. (cid:4)Trong sx bia chỉ sử dụng hoa cái chưa thụ phấn (có hạt lupulin) do hoa đực và hoa cái đã thụ phấn có hàm lượng chất mùi và chất tạo vị thấp (không có hạt lupulin)

4/20/2011

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - HOA HOUBLON

HOUBLON

Houblon tạo hương Houblon tạo vị đắng

3,85 – 5,14% α acid 8,62 – 9,31% α acid

Chỉ tiêu Hoa viên Hoa cao

Mùi vị

Thơm đặc trưng, không mùi lạ Thơm đặc trưng, không mùi lạ

Alpha acid 8 ±0,3 30 ± 2

Độ ẩm <10

Thành phần hóa học có trong hoa houblon

(% khối lượng chất khô)

10 -11 2 -12 2 - 10 0,5 – 2

Độ ẩm Alpha acid Beta acid Tinh dầu (> 200 chất như terpene, ester, ketone, hợp chất chứa lưu huỳnh…) Polyphenol Protein Lipide Cellulose Pectin Tro

2 -5 12 – 18 2 - 4 40 – 50 1 – 2 1 - 2

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - HOA HOUBLON

4/20/2011

Đánh giá chất lượng hoa houplon

Chỉ số

Loại 1

Loại 2

Loại 3

Màu hoa Vàng ÷ vàng óng Vàng lục

Vàng xanh

Vàng óng ánh

Vàng, vàng sẫm

Vàng sẫm

Màu hạt lupulin

Hơi nồng

Mùi

Thơm dễ chịu, đặc trưng

Thơm, không có mùi tạp chất

Cánh hoa To đều chắc,

không rách

Rách nhiều, chấm đỏ cà phê nhiều

Cánh hoa có thể bị rách (1,5cm), có chấm đỏ cà phê

Tạp chất

<1,75%

<3%

<9%

0% <10 %

<1 % >12 %

<5 % >10 %

<15 %

<11 %

>12 %

Hoa bệnh Hoa đắng Tro Ẩm

<13 %

<3 %

<13 %

Hoa tươi: W 75 – 80%, VN không sử dụng.

Cánh hoa khô: W8 – 10%

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - HOA HOUBLON

4/20/2011

Hoa khô (W 4 -6%)

Nghiền

Rây (2-8mm)

Bột hoa khô

Hoa dạng hạt, viên: W 4 - 6%, bột hoa khô (có thể thêm 20% bentonote SiO2 rồi tạo thành viên

Bao gói (chân không, CO2, N2)

thấp,

Hoa cao trích ly; dạng hàm lượng sệt có làm polyphenol giảm độ bền keo

Bảo quản

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA – NƯỚC Quyết định đến chất lượng bia

Chiếm 90 – 95% trong bia

YÊU CẦU VỀ NƯỚC TRONG SẢN XUẤT BIA

CẢM CẦU YÊU QUAN: trong, không có mùi vị lạ

có E.coli

YÊU CẦU VI SINH: và không Streptococci/100 ml nước. YÊU CẦU HOÁ LÝ 7.0 2-4mg/L <50mg CaC03/L <1500mg/L < 500/L 250 – 300mg/L <30 mg/L pH độ cứng độ kiềm Chất khô Sulphate Clorute Nitrate

4/20/2011

MEN CHÌM (S. carlsbergensis)

MEN NỔI (S. cerevisiae)

Nhiệt độ lên men

10 - 25

0 - 10

Khả năng lên men Mạnh, xảy ra trên bề

mặt môi trường

Mạnh, xảy ra trong lòng mt

33%

100%

Khả năng sử dụng đường 3C rafinose

Khả năng lắng khi lên men kết thúc

Các tb kết chùm, chuỗi tạo thành lớp dày nổi lên bề mặt mt, bia trong chậm

Các tb kết chùm, chuỗi lắng xuống đáy thùng lên men rất nhanh, bia tự trong nhanh hơn

Malt ñaïi maïch Theá lieäu

3.1.3.3. VSV TRONG LÊN MEN BIA

Taùch taïp chaát

Taïp chaát

Nghieàn

Nöôùc

Naáu dòch nha

Loïc

Baõ malt

Houblon

Ñun soâi vôùi hoa houblon

Taùch baõ houblon

Baõ houblon

Laøm laïnh

, baõo hoøa O

O 2 voâ truøng

Naám men

Nhaân gioáng

Leân men chính

Sinh khoái naám men

Leân men phuï

Caën

Xöû lyù laøm trong bia

Caën

Baõo hoøa CO

CO 2

2 , taøng tröõ

Chai

/ lon

Chieát chai

/ lon

Thanh truøng

Saûn phaåm bia chai

/ lon

3.1.3.4. CÔNG NGHỆ SX BIA

4/20/2011

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA

3.1.3.4.1. Sx bia – NGHIỀN

Mục đích NGHIỀN (cid:1)Tăng bề mặt tiếp xúc với nước (cid:1)Nước xâm nhập vào các thành phần trong nội nhũ nhanh hơn

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền (cid:3)Độ ẩm (cid:3)Cấu trúc hạt tinh bột (cid:3)Thiết bị (cid:3)Phương pháp nghiền

Nghiền thế liệu: gạo

Nguyên tắc: nghiền gạo càng mịn càng tốt

4/20/2011

Sản phẩm nghiền malt: vỏ trấu, hạt tấm lớn, tấm nhỏ, bột. Mức độ nghiền MALT (cid:2)Nghiền thô: 20 – 25% (280mL/100g malt) (cid:2)Nghiền mịn: 50 – 60% bột (210mL/100g malt) (cid:2)Nghiền rất mịn: 85 – 90% bột (200mL/100g malt) Mức độ nghiền ảnh hưởng tới độ trích ly, thời gian lọc bã

Yêu cầu về mức độ nghiền malt (% khối lượng)

Chỉ tiêu

Trấu Hạt tấm lớn Hạt tấm nhỏ Bột Nghiền trục (lọc bằng nồi lọc) 15 – 18 12 – 15 30 – 35 25 - 35 Nghiền búa (lọc bằng thiết bị lọc khung bản) 9 – 12 12 – 15 30 – 35 40 - 45

3.1.3.4.2. Sx bia – NẤU DỊCH NHA

Trích ly các chất chiết có Mthấp (đường, acid amin, vitamine, khoáng…) từ malt đại mạch và thế liệu vào nước

Thủy phân một số chất có Mlớn thành các chất có Mnhỏ (cơ chất cho nấm men)

tạo thành polypeptide, peptide

tạo thành dextrin, oligosaccharide

Các phản ứng xảy ra trong quá trình nấu dịch nha Thủy phân Protein: (endoenzyme), acid amin (exoenzyme) Thủy phân tinh bột: (alpha amilase), maltose (beta amilase) Thủy phân hemicellulose: tạo thành beta glucan mạch ngắn Thủy phân một số chất hữu cơ có chứa acid phosphoric: tạo thành acid phosphoric

4/20/2011

3.1.3.4.2. Sx bia – NẤU DỊCH NHA (tt)

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Tỷ lệ malt: nước = 1:4 – 1:5

Tỷ lệ thế liệu: nước = 1:1,5 – 2

pH: 5,4 – 5,6 (chỉnh pH 1 lần)

Thực hiện các điểm dừng trong quá trình nấu

Thiết bị nấu có cánh khuấy

CÔNG NGHỆ SX BIA – Nhà máy Bia LIDA

500kg nguyên liệu/mẻ thu được 3100 – 3300L dịch lên men. Tỷ lệ malt: gạo = 3/7 (130 kg gạo: 370 kg malt).

Nồi gạo: 130 kg gạo + 520- 650 lit nước + 200g CaCl2. Dùng H3PO4 chỉnh pH 5,3 -5,4. 40oC/15’. Trong 15’ tăng từ 40oC đến 72oC, 72oC/20’. Trong 10’ tăng đến 83oC, 83oC/5’. Trong 5’, hạ xuống 72oC, 72oC/20’. Trong 20’ tăng lên 100oC, 100oC/15’. Trong 5’, hạ xuống 65 – 67oC

Nồi malt: 370 kg malt + 1480 – 1850 lit nước + 300g CaCl2. Dùng H3PO4 chỉnh pH 5,3 -5,4. Khi nấu gạo đựơc 60’ thì nấu malt. 40oC/20’. Trong 15’, Tăng đến 50oC, 50oC/20’. Trong 10’ tăng đến 65 – 67oC .

4/20/2011

Nồi malt và gạo đều ở 65 – 67oC. Trộn 2 nồi làm một. Duy trì 67oC/30’. Trong 15’, tăng tới 72oC, 72oC/15’. Trong 15’, tăng tới 76oC, 76oC/15’. Tổng thời gian nấu gạo và malt là 210’. Sau đó lọc dịch và rửa bã (40 – 50’). Dịch lọc được đun sôi trong 120’. Trong thời gian đun sôi, cho hoa houblon 3 lần. Thời gian cho hoa: lần 1 sau 10’ đun, lần 2 sau 30’, lần 3 sau 75’. Bổ sung 250mL caramen để chỉnh màu dịch đường. + 2g ZnCl2 để bổ sung nguyên tố vi lượng cho men.

Sau 120’ đun, chuyển qua lắng 25’ để tách cặn, các chất không hòa tan như xác hoa, chất kết tủa…

Làm lạnh nhanh.

Chuyển dịch vào tank đã cấy men trước

3.1.3.4.3. Sx bia – Lọc dịch nha

Phương pháp Mục đích

op = 78 – 80oC

Rửa bã malt bằng nước nóng To Tách bỏ bã malt Rửa bã malt

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc

Mức độ nghiền malt Nhiệt độ

Độ nhớt

Thiết bị lọc tách bã malt: thùng lọc hình trụ đáy bằng (thường sử dụng) Cấu tạo thiết bị: phức tạp (1 đáy giả là mặt sàng và hệ thống cánh đảo trộn, dao gạt bã, hệ thống tháo bã malt)

4/20/2011

So sánh hiệu quả sử dụng thiết bị lọc

Lọc khung bản Vải coton

1 – 2m/s 20 – 50’; P 0,3 bar

Chỉ tiêu Màng lọc Chiều cao màng lọc Tốc độ lọc Thời gian lọc Lượng nước rửa

Nồi lọc Bã malt 30 – 60cm 0,5 – 4,5m/s 60 – 110’ Tốn nhiều nước

Thời gian rửa bã

60 – 120’,

90 – 140’. P 0,4 – 1,2 bar

Thời gian tháo bã Tổn thất chất chiết Độ ẩm bã

rửa tối đa 3 lần 30 – 40 phút Thấp Cao hơn

Tháo bã tự động Cao hơn Thấp

Tốt

Tốn nhân công

Mức độ cơ giới hóa và tự động hóa

3.1.3.4.3. Sx bia – Lọc dịch nha (tt)

3.1.3.4.4. Sx bia – Đun sôi dịch nha với hoa Houplon

MỤC ĐÍCH (cid:1)Chiết chất đắng từ hoa houplon (alpha acid…) vào dịch nha, đồng phân hóa một số chất đắng (cid:1)Vô hoạt enzyme, đông tụ Protein kém bền nhiệt (cid:1)Điều chỉnh nồng độ chất khô trong dịch nha (cid:1)Tạo thành một số chất có lợi cho sản phẩm (cid:1)Tách một số hợp chất dễ bay hơi ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm

4/20/2011

3.1.3.4.4. Sx bia – Đun sôi dịch nha với hoa Houplon (tt)

LƯỢNG HOA HOUPLON BỔ SUNG (Tính theo α acid)

7 – 20 g α acid/hL

THỜI GIAN ĐUN SÔI: 60 – 120’

PHƯƠNG PHÁP BỔ SUNG HOA

Một lần: sau khi dịch nha sôi

Hai lần: sau khi dịch nha sôi + 30’ trước khi kết thúc quá trình nấu

Ba lần: sau khi dịch nha sôi + 30’ trước khi kết thúc quá trình nấu + 15’ trước khi kết thúc quá trình nấu

3.1.3.4.5. Sx bia – Tách bã hoa Houplon

Nguyên lý: Bơm dịch nha vào thiết bị hình trụ đứng, dung dịch chuyển động theo đường xoắn ốc. Dùng lực ly tâm để lắng (lắng xoáy tâm)

4/20/2011

Thành phần dịch nha

pH Nồng độ chất khô Glucose

5,2 – 5,4 10 – 13oPt 5 – 15 g/L

Fructose

0,5 – 2 g/L

Saccharose Maltose

2 – 6g/L 45 – 65g/L

Trisaccharide (maltotriose, raffinose)

Dextrin

200 – 800mg/L 500 – 1.100mg/L

100 – 250mg/L

Beta glucan và gum Nitơ tổng Nitơ amin tự do (FAN) Các chất khác (acid nucleic, vitamine, khoáng, polyphenol…)

3.1.3.4.6. Sx bia – Làm nguội và nạp oxy vào dịch nha

MỤC ĐÍCH

Hạ nhiệt độ dịch nha, chuẩn bị cho lên men

Cung cấp oxy cần thiết cho sinh trưởng của men

YÊU CẦU

Làm nguội nhanh, thiết bị kín

Nạp Oxy (không khí) vô trùng, lượng oxy hòa tan (6 – 8mg oxy/lít dịch nha, P = 1atm, To = To lên men

4/20/2011

3.1.3.4.7. Sx bia – NHÂN GIỐNG MEN & LÊN MEN

Nhân giống 2 giai đoạn

thạch nghiêng, cấy vào ống 10ml nước nha+

PTN: pepton ủ 12h

Cấy qua bình tam giác 150 – 170mL dịch, Ủ 12h. Cấy qua bình tam giác 1,5L, Ủ 24h

Chuyển vào tank 1 (V tank 1: 200L, V dịch đường: 150L), có cung cấp oxi trong tank, Nuôi 48h.

Chuyển tank 1 vào tank 2 (V tank 2: 1000L, V dịch 800L, nuôi 48h, 20 – 25oC

Bơm men từ tank 2 vào Tank chứa dịch lên men (V 12.000L)

3.1.3.4.7. Sx bia – NHÂN GIỐNG MEN & LÊN MEN (tt)

MỤC ĐÍCH LÊN MEN: Chuyển dịch nha thành bia

Lên men chính

Chuyển hóa đường thành ethanol, CO2 và các sản phẩm phụ, sp trung gian Tốc độ lên men diễn ra nhanh, các chất cặn (protein) và tế bào men còn sót lại lắng dần xuống đáy, bia trong dần

Lên men phụ

Lên men đường còn lại, bão hòa CO2 cho bia tươi, ổn định hương vị, chất lượng, độ trong cho sản phẩm, tăng giá trị cảm quan

4/20/2011

3.1.3.4.7. Sx bia – NHÂN GIỐNG MEN & LÊN MEN (tt) Lên men chính – Primary fermentation

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

0,5L men/hL dịch nha hay 10 – 25.106 tb/mL dịch nha

To= 13 – 15oC Thời gian: 7 – 9 ngày

Nồng độ chất khô còn 1,15 – 0,2% kết thúc lên men chính

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LÊN MEN CHÍNH

Môi trường lên men (dịch nha): pH, nồng độ chất khô, thành phần hóa học

Nấm men

Điều kiện lên men: To, …

3.1.3.4.7. Sx bia – NHÂN GIỐNG MEN & LÊN MEN (tt) Lên men Lên men phụ – Secondary fermentation

THÔNG SỐ KỸ THUẬT LM PHỤ

4 – 8.106 tế bào men/mL dịch nha

To= 0 – 5oC

Thời gian: 7 – 30 ngày (phụ thuộc vào từng loại bia)

Thời gian lên men phụ quyết định hàm lượng diacetyl trong bia, cũng như mức độ chín của bia.

Liên tục tách nấm men chết và các kết tủa ra khỏi thiết bị trong quá trình lên men phụ

4/20/2011

Hình ảnh thiết bị lên men bia

3.1.3.4.8. Sx bia – Làm trong bia

MỤC ĐÍCH

Tách triệt để các phần tử rắn lắng, khuyếch tán trong bia

Tăng độ trong,

Làm ổn định thành phần cơ học

Tăng độ bền keo và độ bền sinh học cho sản phẩm

YÊU CẦU

Nhiệt độ làm trong: 1 – 2oC

THIẾT BỊ LỌC

Thiết bị lọc khung bản: rẻ, dễ vận hành, bụi và VSV dễ xâm nhập

Thiết bị lọc ly tâm, lọc dĩa, lọc nến….

4/20/2011

3.1.3.4.8. Sx bia – Làm trong bia (tt)

Các chất làm trong

Cho thêm một hay nhiều chất làm trong vào bia (không bị bắt buộc phải công bố như là một thành phần của bia)

Ở Việt Nam, thường sử dụng thiết bị lọc khung bản, bổ

sung chất trợ lọc diatomid

Lọc khung bản

3.1.3.4.9. Sx bia – Bão hòa CO2

Hàm lượng CO2 trong bia non: 4-4,5g/l. Nếu không đạt tiêu chuẩn: bổ sung thêm CO2

MỤC ĐÍCH

Chuẩn hóa hàm lượng CO2 cho bia chai và bia lon

YÊU CẦU

Nhiệt độ: 0 – 1oC

P = 0,15 -0,2 MPa

4/20/2011

3.1.3.4.10. Sx bia – Chiết và thanh trùng bia

MỤC ĐÍCH

Kéo dài thời gian BQ sản phẩm

YÊU CẦU Nhiệt độ: 0 – 1oC P = 0,15 -0,2 MPa Dễ vận chuyển và sử dụng

Quy trình công nghệ ở phân xưởng chiết

3.1.3.4.10. Sx bia – Chất lượng sản phẩm

Chỉ tiêu cảm quan Yêu cầu Màu sắc Độ trong Độ bọt Mùi Vị Vàng rơm sáng Trong suốt Bọt trắng, mịn lâu tan Thơm đặc trưng Đắng dịu, đậm đà, có hậu, đặc trưng

Chỉ tiêu vi sinh Vi khuẩn kỵ khí VKHK Men sót Yêu cầu 0 <1cfu/100mL <100cfu/100mL

4/20/2011

Chỉ tiêu hóa lý Chất hòa tan ban đầu (% khối lượng) Đường sót (%) Độ cồn pH Độ chua (mL NaOH/100mL bia) Độ màu (EBC) CO2 (g/L) Độ bền của bọt (giây) Oxi Độ đắng Diacetyl Yêu cầu 10,2 ± 0,2 1,8 – 2,2 4,3 ± 0,2 4,0 – 4,2 1,6 ± 0,2 7,0 – 7,2 4,0 – 4,5 150 – 250 < 3ppm 20oBU < 0,1ppm

Sa hình nhà máy bia tại Bắc Kinh - TQ

4/20/2011

3.1.4. Công nghệ sản xuất rượu vang

www.gbd.edu.vn

3.2. Công nghệ sản xuất acid hữu cơ thực phẩm 3.2.1. Sx acid lactic 3.2.2. Sx acid acetic 3.2.3. Sx acid citric

4/20/2011

3.2.1. Sx acid lactic

(cid:1)3.2.1.1. GIỚI THIỆU VỀ ACID LACTIC (cid:1)3.2.1.2. VAI TRÒ CỦA ACID LACTIC (cid:1)3.2.1.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID LACTIC (cid:1)3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (cid:1)3.2.1.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC (cid:1)3.2.1.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH SẢN PHẨM

3.2.1.1. GIỚI THIỆU VỀ ACID LACTIC

•1780, Carl Wilhelm Scheele (nhà hoá học Thụy Điển) đã tách acid lactic từ sữa bị chua. •1881, sx theo quy mô công nghiệp nhờ Frémy (nhà khoa học Pháp) đã sx acid lactic bằng pp lên men

CH3-CHOH-COOH

•C3H6O3 •M= 98,08; không màu, mùi nhẹ, hút ẩm cao, To sôi = 122oC, tan ở 17oC

•2 dạng đồng phân D- và L+. • Dạng đồng phân sinh học L+ có trong cơ thể người

•Phụ thuộc vào độ tinh sạch của acid lactic để áp dụng vào các lĩnh vực khác nhau

4/20/2011

L-acid lactic

D-acid lactic

Tỷ lệ D:L = 50:50 (Hỗn hợp raxemic (kí hiệu là DL-acid lactic)

Raxemic có dạng lỏng, tan trong nước, cồn, không tan trong CHCl3, To sôi = 122oC, nhiệt nóng chảy ở 16,8oC

(dạng L có trong cơ thể người)

Raxemic chỉ có được khi tiến hành tổng hợp hữu cơ

3.2.1.2. VAI TRÒ CỦA ACID LACTIC

•LACTIC TRONG LĨNH VỰC THỰC PHẨM

•LACTIC TRONG LĨNH VỰC PHI THỰC PHẨM

•Sản lượng acid lactic ước tính khoảng 50 ngàn tấn/năm, khoảng 2/3 sản lượng được sản xuất bằng pp lên men

4/20/2011

3.2.1.2. VAI TRÒ CỦA ACID LACTIC (tt)

trong thực phẩm

•Thịt gia súc, gia cầm, cá (Meat, Poultry & Fish)

•Đồ uống (Beverages)

•Rau ngâm giấm (Pickled vegetables)

•Salad và nước sốt (Salads & dressings)

• Bánh kẹo (Confectionery)

•Các sản phẩm từ sữa (Dairy)

•Baked Goods

•Savory Flavors

3.2.1.2. VAI TRÒ CỦA ACID LACTIC (tt)

LĨNH VỰC PHI THỰC PHẨM

•Dược phẩm (Pharmaceutical), mỹ phẩm (Comestics)

•Vật liệu sinh học (Biomaterials)

•Một số ngành kỹ thuật (Technical)

• Chất tẩy rửa (Detergents)

•Thức ăn cho gia súc (Animal Feed)

• Chất dẻo tự phân hủy (biodegradable plastics)

Nhựa PLA (Poly lactic acid) chịu được 175oC, thích hợp làm chai rót nóng, khay sử dụng trong lò vi ba, các loại sợi và thiết bị điện tử chịu nhiệt

4/20/2011

3.2.1.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID LACTIC

• Glucose, sucrose, lactose

• Mật rỉ đường

• Huyết thanh sữa

• Nguyên liệu chứa tinh bột (ngô, khoai tây, nước thải chứa tinh bột…)

Pha loãng mật rỉ (1mật rỉ : 3 nước)

3.2.1.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID LACTIC (tt)

Than hoạt tính

Mật rỉ đã xử lý màu

XỬ LÝ MẬT RỈ

5% H2SO4 (w/w)

H2O

Mật rỉ đã xử lý hệ keo

Dịch trong

Bã

Khoáng

H2O

Na2CO3/NaO H

Môi trường lên men lactic

4/20/2011

Nguyên liệu chứa tinh bột

Thủy phân

Nguyên liệu chứa các đường đơn giản

3.2.1.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID LACTIC (tt) XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU CHỨA TINH BỘT

Nitơ

CaCO3

Môi trường lên men lactic

3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC

100

•1857, Pasteur kết luận VK khuẩn lactic lên men sữa • 1878, Joseph Lister phân lập được VK lactic đặt tên là Bacterium lactic nay gọi là Streptococcus lactic. • VK lactic thuộc họ Lactobacterium, khác nhau về hình dạng, sinh lí và khả năng lên men • VK lactic thuộc nhóm kỵ khí không bắt buộc • VK lactic chia làm 2 nhóm: -VK lactic đồng hình (cầu khuẩn và trực khuẩn): sản sinh 85-95% acid lactic. -VK lactic dị hình: sản sinh 50% acid lactic và rượu. •Trong công nghiệp lên men lactic sử dụng VK lactic đồng hình

4/20/2011

3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (tt)

Các VSV chính sử dụng trong công nghiệp sx

Cơ chế chuyển hóa glucose của VK lactic đồng hình

101

acid lactic hiện nay: (cid:3)Lactobacillus casei. (cid:3)Streptococcus thermophilus. (cid:3)Lactobacillus acidophilus. (cid:3)Lactobacillus bulgaricus. (cid:3)Lactobacillus delbrueckii (cid:3)Chủng có thể sử dụng tinh bột: L. amylophilus, L. amylovorus

4/20/2011

Đặc điểm sinh hóa

VK Lb. casei

pHop 5 – 7 +: Glu, Fructose, Lactose,

SP D acid lactic

Top 35- 39oC

5,4

Lb. bulgaricus

Galactose LM chậm: Maltose, Saccha., -: Manitol, Dextrin +: Glu, Lactose, Galactose, -: Maltose, Manitol, Dextrin

L acid lactic

Lb. acidophilus

Lb. delbrueckii

45- 48oC 45- 50oC 35 - 45oC

5,5 – 6,5 4,6 - 5,4

D, L acid lactic L acid lactic

Strep. thermophilus

+: glucose, fructose, galactose, maltose +: Glu, fructose, galactose, maltose -: lactose +: Glu, fructose, galactose, maltose

L acid lactic

43 - 46oC

5,8 – 6,0

3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (tt)

(cid:4)Strep. thermophilus

3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (tt)

Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus bulgaricus

Lb. acidophilus

Lb. delbrueckii

delbrueckii (2(2÷÷ 7 7 ––0,40,4÷÷0,80,8µµm)m)

102

Dùng kỹ thuật bức xạ tử ngoại tạo Lac. delbrueckii đột biến. Chúng có tốc độ phát triển mạnh hơn, pha lag ngắn hơn, năng suất và hiệu suất sinh acid lactic lớn hơn

4/20/2011

3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (tt)

Nhu cầu dinh dưỡng của VK lactic - Carbon: cấu trúc tế bào và cung cấp năng lượng - Nitơ: nitơ có trong MT (các acid amin), bổ sung thêm peptone, cao thịt, cao nấm men, casein… - Vitamine: VK lactic ít có khả năng tổng hợp vitamine. Chúng cần các vitamine như riboflavin, thiamin, acid pantotenoic, nicotinic, biotine… -Các chất hữu cơ:

+ Base chứa nitơ: adenine, guanine, uraxine,… + Acid hữu cơ: acid citric, acid acetic,… + Acid amin: L- asparagine, L-glutamine

-Khoáng: P, S, Mg, Ca, Mn, Fe, K, Na Mn2+, Mg2+, Fe2+ có tác động tích cực lên sự phát triển và sinh ra acid lactic của VK Lactobacillus

3.2.1.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC

Nguyên liệu

Xử lý

Môi trường lên men

VK lactic 3-5%v/v

Lên men lactic

Muối lactac

Thu nhận lactic

Acid lactic

103

4/20/2011

lactic acid is produced of fermentation by glucose, as

such

Commercial naturally carbohydrates sucrose, or lactose.

Sản xuất L-Lactic Acid (lactide) bằng PP lên men trực tiếp khoai tây ở Hokkaido

104

4/20/2011

Sago Industry: PLA (Poly Lactic Acid) production incorporated with Sago

105

3.2.1.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC (tt)

4/20/2011

GALACTIC, sx L(+) lactic theo pp LM lớn thứ 2 trên TG, xuất khẩu > 90% sản phẩm cho > 50 nước.

Nhà máy B&G, sx lactic lớn nhất Châu Á ở TQ, cung cấp cho thị trường thức ăn gia súc và sx PLA (Poly-Lactic Acid)

3.2.1.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC (tt)

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Môi trường lên men

10 – 15oBx pH = f (pHop của VK sử dụng để lên men)

VSV

Sử dụng chủng VK lactic đồng hình Tỷ lệ giống 3-5% (v/v), mật độ tế bào 106 tb/ml

Điều kiện lên men

106

To = f (Top của VK sử dụng để lên men) Fermenter có cánh khuấy và thổi khí Duy trì pHop trong suốt quá trình lên men

4/20/2011

3.2.1.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH LACTIC

Công nghệ truyền thống Công nghệ truyền thống

Dịch sau lên men (lactate canci) Dịch sau lên men (lactate canci)

Lactic Lactic

Đun dịch đến 80--9090ooCC Đun dịch đến 80

Thiết bị tạo kết tủa Ca2+2+lactate (lần 2) lactate (lần 2) Thiết bị tạo kết tủa Ca

CaCOCaCO33

Cô đặc dịch lọc Cô đặc dịch lọc

Kết tủa Kết tủa

Dịch lọc Dịch lọc

Chỉnh pHdịchdịch 6.56.5 Chỉnh pH 3 – 5 h Lọc khung bản Lọc khung bản 7070--8080ooCC

Dịch lọc Dịch lọc

Thiết bị tạo kết tủa Ca2+2+lactate (lần 1) lactate (lần 1) Thiết bị tạo kết tủa Ca

sinh khối sinh khối

Công nghệ hiện đại Công nghệ hiện đại PP thẩm tích điện &trao đổi ion PP thẩm tích điện &trao đổi ion PP tách pha PP tách pha

Tinh sạch lactic theo công nghệ truyền thống Tinh sạch lactic theo công nghệ truyền thống

Dịch trong Dịch trong

LọcLọc

Cô đặc đến 40 –– 70% W70% Wban đầu Cô đặc đến 40 ban đầu

NaNa22COCO33 Chỉnh pH Chỉnh pHdịchdịch 6.56.5 3 – 5 h Thẩm tích điện Thẩm tích điện

NaNa22COCO33

Chỉnh pHdịchdịch 6.56.5 Chỉnh pH

NaNa++ lactate (lỏng) lactate (lỏng)

sinh khối sinh khối

Thiết bị tách pha Thiết bị tách pha

Tbị Cô đặc chân không Tbị Cô đặc chân không

(có trialkyamin & (có trialkyamin & (P= 75pSi) COCO22 (P= 75pSi) lactic) ++

Thẩm tích điện trích ly Thẩm tích điện trích ly

PhaPha hữuhữu cơcơ (chất (chất hấphấp thụthụ lactic) PhaPha hòahòa tantan ((NaNa22COCO33 ++ HH22COCO33))

Dung dịch acid lactic Dung dịch acid lactic

80 – 240oC; 2 – 100mmHg Chưng cấtcất chânchân không Chưng không

Lactic tinh khiết (99%) Lactic tinh khiết (99%)

Dịch sau lên men (lactate canci) Dịch sau lên men (lactate canci)

PP tách pha

Cột trao đổi ion Cột trao đổi ion PP thẩm tích điện & trao đổi ion

107

4/20/2011

SẢN PHẨM ACID LACTIC

(cid:1) Nồng độ acid lactic ≥ 95% (cid:1) Chloride ≤≤≤≤ 0.1% (cid:1) Cyanide ≤≤≤≤ 5mg/kg (cid:1) Kim loại nặng (chì) ≤≤≤≤ 10mg/kg (cid:1) Sắt ≤≤≤≤ 10mg/kg. (cid:1) Cặn ≤≤≤≤ 0.1% (cid:1) Sulfate ≤≤≤≤ 0.25%

3.2.2. Sx acid acetic

www.gbd.edu.vn

108

(cid:1)3.2.2.1. GIỚI THIỆU VỀ ACID ACETIC (cid:1)3.2.2.2. VAI TRÒ CỦA ACID ACETIC (cid:1)3.2.2.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID ACETIC (cid:1)3.2.2.4. VSV LÊN MEN ACID ACETIC (cid:1)3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (cid:1)3.2.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH SẢN PHẨM

4/20/2011

3.2.2.1. GIỚI THIỆU VỀ ACID ACETIC (ETHANOIC ACID)

CH3-COOH

•C2H4O2 •Là carboxylic acid đơn giản nhất về cấu tạo •M= 60,05 • To tạo tinh thể = 16,7oC • Ăn mòn nhiều kim loại, gây bỏng da •Giấm ăn (acetic 4 – 8%)

3.2.2.2. VAI TRÒ CỦA ACID ACETIC

•ACETIC TRONG LĨNH VỰC THỰC PHẨM

•ACETIC TRONG LĨNH VỰC PHI THỰC PHẨM

Nhu cầu về acetic acid khoảng 6.5 triệu tấn/năm (Mt/a). Khoảng 4 Mt/a được sản xuất từ công nghiệp hóa dầu hoặc từ các nguồn sinh học.

109

Tính tới 2006, VN nhập khẩu acid acetic 100%

4/20/2011

3.2.2.2. VAI TRÒ CỦA ACID ACETIC (tt)

VAI TRÒ CỦA ACETIC TRONG THỰC PHẨM

• Sử dụng làm chất phụ gia thực phẩm (E260)

• Giấm ăn

•Nhiều nước quy định, acetic acid dùng làm giấm phải được sx bằng pp lên men. •Mùi và vị của giấm phụ thuộc vào nguyên liệu và cách sx.

3.2.2.2. VAI TRÒ CỦA ACID ACETIC (tt)

TRONG LĨNH VỰC PHI THỰC PHẨM

CN hóa chất: sử dụng nhiều trong thuốc nổ

Sx polyethylene terephthalate (sử dụng trong nước giải khát đóng chai)

Sx cellulose acetate: sử dụng trong phim chụp hình

Sx polyvinyl acetate: dùng trong keo dán gỗ

Sử dụng làm dung môi pha hóa chất

Sx vinyl acetate monomer dùng trong sơn

Công nghiệp chế biến cao su

Tổng hợp chất dẻo tơ sợi

110

Trong gia đình: acetic loãng làm sạch cặn bẩn.

4/20/2011

3.2.2.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID ACETIC

• Nguyên liệu chứa tinh bột

• Cellulose (sử dụng Clostridium lentocellum SG6 nghiên cứu của ĐH Osmania, Ấn Độ)

• Nguyên liệu chứa đường

• Cồn, rượu vang…

3.2.2.4. VSV LÊN MEN ACID ACETIC

111

•VK hiếu khí •Sau 12h, sinh khối tăng 17 triệu lần •Chuyển hóa rượu thành acid acetic

4/20/2011

3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC

PP SINH HỌC

PP HÓA HỌC (3) Methanol carbonization Butane oxidation Acetaldehyde oxidation

3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (tt)

PP HÓA HỌC

•Cho tới 1960s, acetic acid được sx chủ yếu bằng pp oxi hóa các nguồn hydrocarbon.

•1960s, PP sx acetic ở quy mô công nghiệp (methanol carbonization).

•1970s, Monsanto cải tiến pp này, giảm ½ chi phí phí sx.

112

•Hiện nay, sử dụng pp methanol carbonization, kết hợp methanol và carbon monoxide tạo thành acetic acid. Lượng acetic sx từ pp này chiếm 80% tổng sản lượng

4/20/2011

CATIVA acetic acid plants in Hull, UK (left), and Chongqing, China (right)

113

At the heart of this success is BP's proprietary and trademarked CATIVA process for acetic acid manufacture, which, with a market share of more than 25 per cent of the 10 million tones of acetic acid produced globally each year, can justifiably claim to be leader of the pack.

4/20/2011

3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (tt)

PP SINH HỌC

• Pasteur phát hiện ra VK Acetobacter lên men giấm

• Người Pháp đưa ra công nghệ sx giấm (pp lên men chậm)

3.5.2.5.1. Phương pháp lên men chậm (PP Orleans)

• Thời kỳ chiến tranh thế giới thứ 2, người Đức cải tiến và đưa ra công nghệ lên men nhanh.

3.5.2.5.2. Phương pháp lên men nhanh

3.5.2.5.3. Phương pháp lên men chìm 3.5.2.5.4. Phương pháp kết hợp

114

3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (tt)

4/20/2011

Sơ đồ sản xuất giấm gạo bằng pp lên men acetic

3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (tt)

Giấm ăn – Các yếu tố ảnh hưởng

Môi trường dinh dưỡng (cid:3)Giấm: Bổ sung vào môi trường ban đầu để acid hoá môi trường, ngăn chặn sự phát triển vi sinh vật có hại, bổ sung lượng tế bào nhất định. (cid:3)Rượu ethylic: được sử dụng như là một cơ chất, từ 2 - 10%V, > 10% sẽ làm giảm năng suất lên men. (cid:3)Các chất C, N, P và các nguyên tố vi lượng: cần bổ số muối khoáng như: K2HPO4, sung thêm một KH2PO4, MgSO4.7H2O, FeCl3.6H2O, (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4 … tùy theo nhu cầu cụ thể của từng loài. (cid:3)Bổ sung thêm vitamin và các chất kích thích sinh trưởng như: glucoza, cao nấm men, pepton...

115

4/20/2011

Giấm ăn – Các yếu tố ảnh hưởng

Ảnh hưởng của oxy

Cần lượng không khí lớn cho quá trình lên men giấm.

Để oxy hoá hết 1 kg rượu khan cần 2,3 m3 không khí (theo lý thuyết), hay để oxy hoá hết 1 mol rượu cần 1mol O2. Qua thực tế nhiều tác giả cho thấy lượng oxy cần thiết phải lớn gấp đôi lượng oxy hoá theo lý thuyết.

Giấm ăn – Các yếu tố ảnh hưởng Ảnh hưởng của nhiệt độ Acetobacter thuộc nhóm ưa ấm, To

op: 25 – 32oC

Ở nhiệt độ thấp: quá trình lên men giấm xảy ra chậm.

Ở nhiệt độ cao: ức chế sự hoạt động và đến mức độ nào đó sẽ đình chỉ sự sinh sản của tế bào làm tăng tổn thất cho vi khuẩn và làm giảm hiệu suất quá trình lên men do sự bay hơi acid acetic và rượu etylic.

116

Ảnh hưởng của tác nhân sinh học (Lươn giấm, bọ giấm, ruồi giấm

4/20/2011

Giấm ăn – Các hư hỏng thường gặp Các hư hỏng thường gặp (Giấm bị đục, giảm độ chua) (cid:5)Do oxy hoá hoá học (oxy hoá rượu thành CO2 và H2O) (cid:5)Do oxy hoá sinh học: tác nhân là nấm men Comdida mycoderma, Acetobacter xylium, Acetobacter aceti, lươn giấm (2), bọ giấm, ruồi giấm (3) gây ra. (cid:2)Khắc phục (1,3): vệ sinh thiết bị lên men sạch, thanh trùng Pasteur dịch ở nhiệt độ 60 -70oC rồi cho lên men lại, cho thêm vào K2S2O5 với liều lượng 5 – 15gam/100 lít giấm kết hợp với thanh trùng Pasteur để tăng độ bền của giấm, đậy kín thiết bị (cid:2)Khắc phục (2): cho 1 – 2% NaCl vào giấm thành phẩm. Sau 1 – 2 ngày lươn giấm chết, lọc hoặc đưa nhiệt độ lên đến 40 – 500C rồi lọc để loại bỏ lươn giấm.

3.5.2.5.1. PP LÊN MEN CHẬM (PHÁP - PP Orleans)

117

Xuất xứ: từ 1670 ở vùng trồng nho nổi tiếng tại Pháp (dịch vang nho để trong những thùng gỗ hở nắp dần dần bị đục, có màng trắng phủ trên Acetobacter bề mặt chứa VK orleaneuse và trở nên chua). Hiện nay chỉ còn một vài nước triển còn sử dụng chậm phát phương pháp này, trong đó có VN

4/20/2011

3.5.2.5.1. PP LÊN MEN CHẬM (PHÁP - PP Orleans) (tt)

Nguyên liệu: dịch nho Lên men trong thùng gỗ sồi 250 – 300 lit V dịch lên men: 1/2 - 2/3 V thùng Môi trường lên men: 12 – 14oBx VSV: Ace. orleaneuse Thời gian lên men: 10 – 20 ngày – 5 tuần Hàm lượng acid acetic đạt được: 5 -6% Thùng lên men acetic theo pp Orleans (150 L)

3.5.2.5.1. PP LÊN MEN CHẬM (PHÁP - PP Orleans) (tt)

Ưu điểm

Dễ thực hiện

Thiết bị không phức tạp

Sản phẩm thơm Nhược điểm Thời gian lên men dài Hàm lượng acid acetic thấp Năng suất thấp, khó cơ giới hóa, hiện đại hóa Tốn diện tích Sau 20 ngày, acetic bị oxi hóa (hóa học và sinh học)

Khắc phục sự oxi hóa acetic

118

(cid:2)Trong dd acetic phải còn 5% cồn (cid:2)Thanh trùng Pasteur (cid:2)Bổ sung 0,2% NaCl để tiêu diệt lươn dấm

4/20/2011

3.5.2.5.2. PP LÊN MEN NHANH (ĐỨC)

tạo ra bề mặt

(cid:3)Xuất xứ: Shiizenbachi tìm ra năm 1923. (cid:3)Nguyên tắc: tiếp xúc lớn hơn giữa VK Acetobacter với không khí để oxy hóa rượu bằng cách sử dụng vật liệu xốp (vỏ bào, lõi ngô xếp trong thiết bị hình trụ, côn, nón cụt) làm chất mang.

Yêu cầu chất mang: có bề mặt tiếp xúc riêng lớn, thể tích tự do lớn, khối lượng riêng bé, độ bền cơ học cao, rẻ tiền, dễ kiếm, phải có đủ độ nhám, độ xốp để vi sinh vật bám chặt. (cid:3)Ưu điểm: Thời gian lên men nhanh 5 – 6 ngày. (cid:3)Nhược điểm: Hiệu suất kinh tế chưa cao (rượu và acid là chất dễ bay hơi), thiết bị phức tạp, khó điều chỉnh thiết bị thông khí.

3.5.2.5.2. PP LÊN MEN NHANH (ĐỨC) (tt)

B1.Thanh trùng chất mang

B2. Gắn VSV vào chất mang

B3. Cho dịch lên men tiếp xúc với VSV cố định

Ưu điểm Nhược điểm

Thổi khí làm oxi hóa rượu và acetic

119

Thời gian lên men nhanh Hàm lượng acid acetic cao Thiết bị đơn giản Ít tốn diện tích

4/20/2011

3.5.2.5.2. PP LÊN MEN NHANH (ĐỨC) (tt)

Thùng lên men gỗ, hình trụ, H=2,5 – 6m; Ф=1,2 – 3m; H= 2 Ф • Có hệ thống thổi khí từ dưới lên trên •MT lên men: Cồn, 0,1 – 0,5% đường, P, N, K • VSV: Ace. xylinum gắn vào chất mang (mạt cưa, lõi bắp)

• Tgian LM: 8 - 10 ngày

Thiết bị lên men giấm (Vinegar Generator)

•Hàm lượng acid acetic đạt được: 8 -10%

3.5.2.5.3. PP LÊN MEN CHÌM (Submerged Process)

Thiết bị lên men chìm

120

(cid:3)Hệ thống lên men acetic được gọi là acetator. (cid:3)Cho dung dịch lên men vào thiết bị và thổi khí rất mạnh. Khi đó trong dung dịch lên men sẽ tạo ra thể huyền phù và dung dịch lên men. Hai thể này luôn trộn lẫn vào nhau và như vậy quá trình oxy hoá xảy ra rất mãnh liệt. (cid:3) Ưu điểm: hiệu suất chuyển hoá có khi đạt được 98 – 99%.

4/20/2011

Cấu tạo hệ thống lên men: phần trên là lớp đệm (lớp chất mang chứa VSV), lớp giữa là 1 thùng chứa dung dịch sau khi lên men ở phần trên chảy xuống, dưới cùng là hệ thống thổi khí mạnh, khí sẽ được thổi qua phần dung dịch này rồi chuyển ngược lên phần trên (giống thiết bị lên men chìm). (cid:3) Ưu điểm: hiệu suất lên men rất cao, nồng độ acid acetic thu được thường nằm trong khoảng 10 -12%.

Nhược điểm:

o thiết bị yêu cầu quá phức tạp, cồng kềnh.

o giống vi khuẩn phải phù hợp

3.5.2.5.3. PP LÊN MEN KẾT HỢP

121

Bình lên men hồi lưu, có sục khí tại PTN Vi Sinh – ĐH NL. VK Acetobacter aceti được cố định trên chất mang là bã mía. Cơ chất là dung dịch nước xoài

4/20/2011

NÂNG CAO NỒNG ĐỘ ACETIC TRONG PP LÊN MEN

PP CHƯNG CẤT BẰNG NHIỆT

PP CHƯNG CẤT BẰNG MUỐI

Sử dung muối có khả năng phân ly mạnh (CaCl2 hoặc CH3COONa). Hiệu suất thu được sẽ cao

PP CHƯNG CẤT – TRÍCH LY

Chọn cấu tử phân ly có độ bay hơi nhỏ hơn cấu tử có trong hỗn hợp cần chưng cất.

cấu tử phân ly + cấu tử có trong dung dịch tạo thành hỗn hợp khó bay hơi và thoát ra ở dưới đáy tháp chưng cất

PP CHƯNG CẤT CHÂN KHÔNG

Citric Acid Production - Recovery Based on Precipitation

S-120

C-Source

S-107 S-108

S-104

S-105

Water 1

AFLN-102 / AF-102

S-106

3.2.3. Sx acid citric

S-103

S-119

Air Filtration

HSRL-101 / ST-101

S-117

S-102

BLND-101 / V-101

S-113

Biomass

PFLN-101 / PF-101

Heat Sterilization

Blending

S-109

Plate & Frame Filtration

Nutrients

S-112

INX-101 / C-101

S-111

Ion Exchange

S-121

Water 2

RVFL-101 / RVF-101

S-101

STRG-101 / V-103

Rotary Vacuum Filtration

HSRL-102 / ST-102

S-110

Storage Tank

FRMN-101 / F-101

Heat Sterilization

Fermentation

BLND-103 / V-104

Blending

Air

S-115

AFLN-101 / AF-101

S-118

Air Filtration

CMPS-101 / G-101

CF Compressor

S-123

S-133

S-128

S-129

Sulfuric Acid

S-137

S-141

S-125

Gypsum

S-131

S-139

Product

S-122

Lime

S-126

S-140

RDRNG-101 / RDR-101

RVFL-104 / RVF-104

S-138

S-134

S-124

S-130

RVFL-103 / RVF-103

RVFL-102 / RVF-102

Rotary Drying

Rotary Vacuum Filtration

S-127

Rotary Vacuum Filtration

RXN-101 / R-101

Rotary Vacuum Filtration

CCRN-101 / R-103

RXN-102 / R-102

Product Precipitation

Cont. Crystallization

Gypsum Formation

122

4/20/2011

3.2.3. Sx acid citric – chi phí sx

0,40 1,09

3 949 000 10 866 000

17,79 48,96

Elements $/kg $/año % Raw material Depreciation and Maintenance Salaries Operation supply Lab./QA Waste treatment Aux. facilities Total

2 668 000 19 000 400 000 1 290 000 3 003 000 22 195 000

0,27 0,00 0,04 0,13 0,30 2,22

12,02 0,09 1,80 5,81 13,53 100,00

Costo de producción

Materias primas

5,8%

17,8%

13,5%

Depreciación

1,8%

Salarios

0,1%

Sum de operación

12,0%

Lab/Aseg. Calidad

49,0%

Tratam. de residual

Fac. auxiliares

123

3.3. Công nghệ sản xuất acid amin 3.3.1. Sx Lysine 3.3.2. Sx Glutamic

4/20/2011

3.3. Công nghệ sản xuất acid amin

ỨNG DỤNG CỦA ACID AMIN

Thực phẩm Hóa học Y học Các lĩnh vực khác

CÁC PP SX ACID AMIN

•THỦY PHÂN PROTEIN

•TỔNG HỢP HÓA HỌC

•CHUYỂN HÓA SINH HỌC

124

•LÊN MEN

4/20/2011

3.3.1. Sx Lysine

(cid:1)3.3.1.1. GIỚI THIỆU VỀ LYSINE (cid:1)3.3.1.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT LYSINE (cid:1)3.3.1.3. VSV LÊN MEN LYSINE (cid:1)3.3.1.4. LÊN MEN LYSINE (cid:1)3.3.1.5. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH LYSINE

3.3.1.1. GIỚI THIỆU VỀ LYSINE

•Là một trong 8 aa không thay thế

•Có nhiều trong thịt, trứng, sữa, đậu nành…

•Dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao

•Có vai trò trong tổng hợp enzyme, hocmon, kháng thể, giúp tăng sức đề kháng

•Yêu cầu: 1g/ngày/người

125

•Ứng dụng: thêm vào khẩu phần ăn của trẻ em giúp trẻ ăn ngon miệng, hấp thụ dinh dưỡng tốt, phát triển chiều cao; chất phụ gia thức ăn; thực phẩm chức năng, dịch truyền amin, bổ sung vào thức ăn gia súc

4/20/2011

3.3.1.1. GIỚI THIỆU VỀ LYSINE (tt)

LYSINE (2,6-diaminohexanoic acid) (α amino acid) C6H14N2O2, M= 146.188, cấu hình L và D

CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH – COOH

| | NH2 NH2

lớn

1985, ở Nhật Bản sx lysine bằng ở qui mô Corynebacterium glutamicum Tổng sản lượng trên TG: 1triệu tấn/năm

3.3.1.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT LYSINE

Cơ chất: mật rỉ, methanol, glucose….

0,02mg/l; 0,008 –

126

MT lên men Glucose: 50g (10 – 12%) tinh bột ngô (đã loại béo): 20 g Nguồn nitơ: ure, các loại muối amon hoặc nước amoniac: (NH4)2SO4: 25g; Urea: 1 g Khoáng: muối Photpho KH2PO4: 2.5g MgSO4.7H2O: 0.75g (0,03 – 0,5%) biotin 7,5µg/l; treonin 40mg/l duy trì pH = 7.0 bằng NaOH 2M Nhiệt độ: 28 – 300C.

4/20/2011

3.3.1.4. VSV LÊN MEN LYSINE

• Micrococcus glutamicum • Brevibacterium flavum • Brevibacterium lactofermentum • Corynebacterium acetophilum • Corynebacterium glutamicum • Gleocladium sp • Ustilago maydis

Các vi khuẩn tham gia tổng hợp lysine đều có khả năng đồng hoá glucose, fructose, maltose, saccharose. Không có khả năng đồng hoá lactose, rafinose, pentose

3.3.1.4. VSV LÊN MEN LYSINE (tt)

32oC/48h Cơ chất Rỉ đường Y (g/L) 100

48 60

31,5oC/48h 11,8

Glucose 31,5oC/58h 120,5

48,8

32oC/72h 32oC/48h Glucose Methanol

127

VSV Cyronebacterium glutacium b-6 C.glutacium H-8241 10%Sucrose 32oC/72h 18%Glucose 27oC/70h C.glutamicum C.lactofermentum Glucose AJ 12592 Brevibacterium lactofermentum AJ 12937 B.lactofermetum Bacillus methanolicus

4/20/2011

3.3.1.4. VSV LÊN MEN LYSINE (tt)

6.9 h

9.2 h

5.8 h

8.1 h

Sinh khối & các sp liên quan trong sx lysine bằng C. glutamicum ATCC 13287 theo thời gian khi nuôi cấy theo mẻ (mmol/mol) Sản phẩm Biomass

56.2

68.1

55.5

86.1

Lysine Valine

0.0 0.0

191.0 0.0

181.9 8.6

184.0 15.2

Alanine

0.0

3.1

17.4

Glycine

8.3

0.0

1.7

3.9

Glutamate

0.0

Corynebacterium glutamicum

SX Lysine từ Methanol bằng Bacillus methanolicus

MG3: chất đột biến

Thổi khí: 5,5L/phút

Duy trì pH 7,1 (bổ sung NH4OH 8N)

To: 50oC

1M KH2PO4: 0,1M MgCl2: 0,01M CaCl2 = 100: 10: 1

128

Duy trì nồng độ Methanol trong bình phản ứng: 100mM

4/20/2011

(cid:1)3.3.1.4. LÊN MEN LYSINE

Công nghệ sinh học LM L- Lysine được cải thiện không ngừng và sự tiến bộ về kỹ thuật đã tạo ra số lượng lớn lysine đáp ứng nhu cầu ngày nay

lên men có cánh

Thiết bị khuấy và thổi khí liên tục Quá trình gồm hai pha: 18 – 24 h đầu (Pha tạo thành sinh khối) + 40 – 60h sau (Pha tạo thành lysine)

Lysine – C. glutamicum

129

4/20/2011

Asp: Aspactat Asp-P: beta Aspactyl phosphate

Hom: Homogerin Thr: Threonin

Ile: Ilexin

Met: Methionine

ASA: Aspactate beta Sinialdehyde DAP: Dihydropicolinasyntetase AK: aspartokinase

homoserine

HSD: dehydrogenase

Lys: Lysine

130

4/20/2011

131

4/20/2011

Pilot-Scale Batch Production of High Lysine Content Animal Feed Suppliment (20h/mẻ)

Pilot-Scale Continuous Production of High Lysine Content Animal Feed Suppliment

132

4/20/2011

Variant pathways for the synthesis of m-DAP/lysine in plants and bacteria. m-DAP/lysine biosynthesis genes present in chlamydiae are boxed

McCoy A. J. et.al. PNAS 2006;103:17909-17914

133

4/20/2011

3.3.1.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH LYSINE

ly tâm dịch lên men, loại sinh khối và chất không tan

Dịch sau khi ly tâm qua hệ thống trao đổi ion cationit

Rửa cột nhiều lần cho hết màu và nhả hấp phụ bằng 0,5 – 5 % dung dịch amoniac

Đun nóng dịch chứa lysine để loại amoniac

Hạ pH 4,9 – 5 bằng HCl, (tạo monochlohydrat lysine)

Cô chân không để nồng độ chất khô đạt 30 – 50% Kết tinh ở 10 – 120C(tinh thể màu vàng nhạt) Ly tâm để thu nhận tinh thể Dịch sau khi ly tâm sẽ tái kết tinh để thu nhận triệt để lysine có trong dịch lên men Hòa tan trong cồn, kết tinh lại (độ tinh sạch cao) Sản phẩm: độ sạch 97%; độ ẩm: 0,7%; tro 0,3%

3.3.2. Sx Glutamic

134

(cid:1)3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (cid:1)3.3.2.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT GLUTAMIC (cid:1)3.3.2.3. VSV LÊN MEN GLUTAMIC (cid:1)3.3.2.4. LÊN MEN GLUTAMIC (cid:1)3.3.2.5. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG (cid:1)3.3.2.5. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC

4/20/2011

(cid:1)3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC

M = 147,13

To nóng chảy: 247 – 249oC

Tan hoàn toàn trong nước

Không tan trong cồn, eter và một số dung môi

(cid:1)3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)

VAI TRÒ CỦA ACID GLUTAMIC

135

Trong y học và dược học: Ở nồng độ thấp, acid glutamic là chất an thần, thuốc trị nhức đầu, có tác dụng bổ não Trong thực phẩm: muối của acid glutamic (glutamate) là chất điều vị lý tưởng Mì chính (bột ngọt) được sử dụng tại hầu hết các nước trên TG Sản lượng khoảng 1,6 triệu tấn/năm. Các dạng sản phẩm: chất điều vị 621, hạt nêm, bột ngọt cánh to, bột ngọt xay nhỏ Hình thức sử dụng: thực phẩm chế biến đã tẩm ướp bột ngọt, bổ sung trực tiếp vào thực phẩm

4/20/2011

(cid:1)3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)

• 1860, Ritthaussen, Đức, đã xđ thành phần các pr động vật, các a.a trong đó có a glutamic • Woff, Đức, xđ trọng lượng phân tử, cấu trúc và các hằng số vật lý của các a.a • 1889, Kikunae Ikeda (Nhật) tách a. glutamic và điều chế natri glutamate từ rong biển • 21/4/1909, ông đăng ký patent số 9440 tại Anh: “sx chất tạo vị” • 1920, người Trung Quốc cũng tìm được công nghệ để sx glutamate

(cid:1)3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)

136

Mì chính tự nhiên Mg/100g Mì chính tự nhiên Mg/100g Tảo Formate Chè xanh Mực Cà chua Sò Ngô Khoai tây Táo Bắp cải Nấm Đậu tương Khoai lang Tôm Hến Cà rốt Sữa mẹ Sữa bò 2240 1206 668 146 140 132 130 102 102 100 67 66 60 43 41 33 22 2

4/20/2011

(cid:1)3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)

•Bột ngọt - chất điều vị E621.

•Bột ngọt có vị Umami - là một trong 5 vị chính mà con người vẫn cảm nhận trong bữa ăn hằng ngày cùng với chua, ngọt, mặn, đắng.

•"Điều vị“: được phép sử dụng trong thực phẩm giúp điều hòa, làm tăng vị ngon của món ăn, không cung cấp dinh dưỡng

•Chất điều vị được phép sử dụng: E621, E627 (disodium inosinate) và E631 (disodium guanylate)

•627 và 631 ("siêu bột ngọt“) có độ "ngọt" cao hơn nhiều so với 621.

Ăn bột ngọt có hại không?

(cid:1)3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt) •1970s, JECFA - Ủy ban hỗn hợp về Phụ gia thực phẩm của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Tổ chức Lương nông (FAO) đánh giá tính an toàn của mì chính và đưa ra quy định về lượng sử dụng hằng ngày: 0-120mg/kg thể trọng •1987, Hội nghị lần thứ 31 của JECFA đánh giá lại độ an toàn của mì chính và đưa ra kết luận “liều dùng không xác định”

137

Rào cản ngăn Glutamate xâm nhập vào não trẻ: •Rào cản ở ruột •Rào cản ở nhau thai •Rào cản ở não Trẻ em tiêu hóa mì chính giống người lớn nên không tìm thấy mối nguy hại nào đối với trẻ em Trẻ em ăn bột ngọt có hại không?

4/20/2011

3.3.2.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT GLUTAMIC

•Nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo •Nguyên liệu chứa đường: mật rỉ, dịch tinh bột thủy phân. Khi sử dụng rỉ đường phải sử dụng chất kháng biotin để kiểm soát sinh trưởng của VSV

138

3.3.2.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT GLUTAMIC (tt)

4/20/2011

3.3.2.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT GLUTAMIC (tt)

MT 1

Mật rỉ: 20%; Urea: 2%; K2HPO4: 0,05%; MgSO4.7H2O: 0,03%; CaCO3: 1%; pH: 6,8 – 7,8

MT2

Saccharose: 8,5 - 10% Urea: 0,5% K2HPO4: 0,1% MgSO4.7H2O: 0,1% ZnSO4: 0,1% Dịch chiết bắp: 0,25% (nhân tố sinh trưởng) pH 7 - 8

3.3.2.3. VSV LÊN MEN GLUTAMIC

•Brevibacterium

•Micrococcus

•Arthrobacter

•Brevibacterium flavum

•Corynebacterium glutamicum

Corynebacterium glutamicum

Giống tự nhiên: năng suất 0,2g/L

139

Giống chuyển gen: năng suất 135 g/L (năm 1960) Ajinomoto: sử dụng giống siêu tổng hợp: 170 – 180 g/L

4/20/2011

3.3.2.4. PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT GLUTAMIC

3.3.2.4.1. PP HÓA HỌC: (thủy phân protein từ bột mì,

3.3.2.4.2. PP SINH HỌC: (lên men)

Sx glutamic và bột ngọt bằng pp hóa học

140

3.3.2.4.1. PP HÓA HỌC

4/20/2011

3.3.2.4.2. PP SINH HỌC: (lên men)

PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN

Lên men tĩnh Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất (không thông dụng)

Lên men tĩnh (V = 100m3) Tỷ lệ giống: 5 – 6% To: 28 – 30oC (có điều nhiệt) pH 7 - 8 Sục khí: 40 – 85mg O2/L.min. nếu không sục khí thì sản phẩm tạo ra lactate. Thời gian: 40 – 60g Sản phẩm: 100 – 150 g/L

1957, Nhật sx glutamic theo quy mô công nghiệp bằng pp lên men

Men giống là Corynebacterium glutamicum

Sx glutamic và bột ngọt bằng pp lên men từ nguyên liệu tinh bột

141

3.3.2.4.2. PP SINH HỌC (tt)

4/20/2011

Sx glutamic và bột ngọt bằng pp lên men từ glucose

FBP: Fructose 1-6 Biphosphate

GAP: Glyceraldehyde 3 phosphate

PEP: phospho enolpyruvate

AcCoA: acetyl coenzyme A

IsoCit: IsoCitrate

KG: alpha ketoglutanate

Glu: glutamate

Suc: Succinate

Fum: Fumarate

Oxa: oxaloacetate

142

4/20/2011

143

3.3.2.4.2. PP SINH HỌC (tt)

4/20/2011

3.3.2.4.2. PP SINH HỌC (tt)

144

3.3.2.4.2. PP SINH HỌC (tt)

4/20/2011

Cung cấp oxy: (hiếu khí bắt buộc)

(cid:1)3.3.2.5.YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG PP LÊN MEN

pHop = 6,8 – 8

•Thiếu oxy: sản phẩm chủ yếu là acid lactic

op: 26 – 37oC

•Thừa oxy: sản phẩm chủ yếu là acid alpha xetoglutavic Điều chỉnh pH bằng NH4+ nước (ure, NH3, NH3, khí NH4Cl…) PP cung cấp oxy To

Thực tế: Sục không khí vô trùng kết hợp với khuấy trộn (150 vòng/phút)

Giai đoạn đầu: 30-32oC

Giai đoạn sau: 36-37oC Sử dụng chất phá bọt trong quá trình lên men

(cid:1)3.3.2.5.YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG PP LÊN MEN (tt)

Chất kích thích sinh trưởng – biotin (2 – 5g/l)

•Nguồn cung cấp biotin: cao ngô, mật rỉ

•Không ảnh hưởng đến khả năng tổng hợp glutamic

•Ảnh hưởng đến tính thẩm thấu của màng tế bào, giúp glutamic thoát ra khỏi tb khuyếch tán vào môi trường

•Thừa biotin: sinh tổng hợp acid glutamic ít

•Thừa biotin + sục khí ít: sản phẩm chủ yếu là alanin và acid lactic

145

•Khắc phục: bổ sung 0,15% Tween 60, penicillin 5UI/mL, để kìm hãm sự phát triển của VK trong mt giàu biotin đồng thời tăng khả năng tổng hợp acid glutamic

4/20/2011

3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC

Các phương pháp kết tinh glutamic từ môi trường nuôi cấy

•PP điểm đẳng điện

•PP tạo hydrochloxit của acid glutamic

•PP dùng dung môi hữu cơ

•PP trao đổi ion

•PP chuyển acid glutamic thành các muối kim loại

PP tạo hydrochloxit của acid glutamic

3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC (tt)

PP dễ thực hiện Dịch MT sau lên men

Hiệu suất thu nhận glutamic đạt 60% Cô đặc ở 50 – 60oC

Tẩy màu

pH 3.2 To 15oC

HCl

146

Kết tinh glutamic

4/20/2011

PP trao đổi ion

3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC (tt)

Dịch MT sau lên men

Thiết bị đắt tiền

Cột trao đổi cation (giữ lại tạp chất) Hiệu suất thu nhận glutamic cao

Cột trao đổi anion (giữ lại glutamic)

Dung dịch đệm

Rửa cột anion

3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC (tt)

Mì chính non (ướt)

Nước

Tinh thể glutamic

Ly tâm

Na2CO3/ NaOH

Mầm

Tẩy màu Kết tinh

pH 6,8

Trung hòa HCl Cô đặc đến 30,2 – 30,5 Be

65oC

Na2S + C2H2O4

Khử Fe2+, Ca2+

Than hoạt tính

147

Tẩy màu 60oC

4/20/2011

3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC (tt)

Sản phẩm bột ngọt:

Hiệu suất thu hồi: 70% - 80% khối lượng glutamic

Các chỉ tiêu chất lượng của bột ngọt:

Tinh thể lớn, đồng đều, độ ẩm

Lượng gluNa: 98 -99%

Độ ẩm: <0,5%

NaCl <0,5%

Các tạp chất còn lại không chứa asen, kim loại và hợp chất canxi

SẢN XUẤT BỘT NGỌT TẠI VN

Canh trường sau lên men + NaOH

Glutamate Natri

148

Tinh sạch

4/20/2011

3.4. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SINH KHỐI VSV

3.4.1. Đk cơ bản để sx sinh khối VSV

3.4.2. Sản xuất sinh khối nấm men

3.4.3. Sản xuất SPC – single protein cell

www.gbd.edu.vn

3.4.1. Điều kiện cơ bản trong kỹ thuật sx sinh khối VSV

149

(cid:2)Giống VSV (cid:2)Chọn phương pháp thích hợp cho quá trình nuôi cấy (cid:2)Nguyên liệu cho sản xuất (cid:2)Thiết bị và phương pháp thu nhận, tinh sạch phù hợp

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

3.4.2. SẢN XUẤT SINH KHỐI NẤM MEN

3.4.2.1. Nguyên liệu để sx sinh khối nấm men

3.4.2.2. Công nghệ sản xuất sinh khối nấm men

3.4.2.3. Các sản phẩm sinh khối từ nấm men

3.4.2. SẢN XUẤT SINH KHỐI NẤM MEN

3.4.2.1. Nguyên liệu để sx sinh khối nấm men

150

(cid:1)Mật rỉ (rỉ đường) (cid:1)Nước: đạt tiêu chuẩn nước cấp thành phố (cid:1)Nguyên liệu chứa nitơ: ure, D.A.P (cid:1)Nguyên liệu chứa photpho: P2O5

4/20/2011

3.4.2.1. Nguyên liệu để sx sinh khối nấm men – MẬT RỈ

MẬT RỈ

SACCHAROSE

BIOTIN

MÀU SẬM

HỆ KEO

hưởng sinh

Cản trở sự hòa tan của oxy

Ảnh tới qt sản của men

38 – 42%, chất Cơ triển phát sinh khối

Kích thích sự sinh trưởng của nấm men

cản trình nhập

Ngăn quá xâm oxy

XỬ LÝ MÀU VÀ HỆ KEO TRONG MẬT RỈ

PP LẠNH

PP NÓNG

Mật rỉ 80oBx+ H2SO4 đđ

(1 tấn mật rỉ : 3,5 kg H2SO4 đđ)

Khuấy liên tục ở 28 – 32oC /24h

Khuấy liên tục ở 85oC/6h

Ly tâm hoặc để lắng

Dịch trong

2 – 4% đường; 0,15 – 0,25% urea; 0,25 – 0,35% D.A.P

Pha chế môi trường nuôi men

151

Bã

4/20/2011

3.4.2.2. Công nghệ sản xuất sinh khối nấm men

Mật rỉ đường

Sac. cerevisiae

H2SO4

Xử lý màu và hệ keo

Tạo môi trường nuôi cấy

Urea, D.A.P

3- 5%

Lên men

Nhân giống

Thổi khí

28 – 32oC 16 – 22h

Men kem

Thu sinh khối

Men paste

Thu nhận sp trong TB

Ly tâm, Rửa nước

Men khô

Sấy

TP cho người

152

Diagrammatic Representation of Commercial Production of Single Cell from Hydrocarbons

4/20/2011

CÁC THÔNG SỐ TRONG THIẾT BỊ LÊN MEN

153

(cid:1)Fermenter có dạng thùng: H = 2 Ф (cid:1)Fermenter cần có cánh khuấy và hệ thống cung cấp khí. (cid:1)Tốc độ khuấy: 50 – 300 vòng/phút (cid:1)Kích thước lỗ thông khí = 10 lần kích thước tế bào (cid:1)Ở đầu không khí vào phải gắn màng lọc khí. Ở đầu không khí ra phải cho khí qua dung dịch KI 10% rồi lọc bằng bông thủy tinh để tránh khí ra có hơi dầu diezen khi chạy bằng máy nén. (cid:1)Tỷ lệ Khối lượng không khí: Khối lượng dung dịch: Thời gian = 1:1:1 (m3 oxy: m3 thể tích: 1 phút)

4/20/2011

3.4.2.3. Các sản phẩm sinh khối từ nấm men MEN BÁNH MÌ - STARTER

Men kem (Men lỏng) •Hoạt tính mạnh •Thời gian BQ ngắn •BQ lạnh • Thương mại khó

Men khô: độ ẩm < 10% •Thời gian BQ lâu. •Dễ vận chuyển • Dễ thương mại hóa •Hoạt tính không mạnh bằng men kem, men ép. •Men dễ chết do tác động nhiệt khi sấy

Men ép: độ ẩm =75 % •Hoạt tính gần bằng men kem •Thời gian BQ: 10 – 20 ngày •BQ lạnh •Dễ vận chuyển, thương mại hóa được

Chỉ tiêu

Sinh khối nấm men làm thức ăn gia súc

Sinh khối nấm men làm men bánh mì

Giống nhau

Không yêu cầu cao

Yêu cầu cao Đầu phase cân bằng Cuối phase cân bằng

Quy trình công nghệ Mức độ vệ sinh Thời điểm thu nhận sinh khối

154

3.4.2.3. Các sản phẩm sinh khối từ nấm men THỨC ĂN GIA SÚC

4/20/2011

3.4.3. Sản xuất SCP – single cell protein

3.4.3.1. Thuật ngữ SCP

3.4.3.2. Lý do sx SCP

3.4.3.3. Nguyên liệu sx SCP

3.4.3.4. SCP từ vi khuẩn

3.4.3.5. SCP từ nấm men

3.4.3.6. SCP từ nấm mốc

3.4.3.7. SCP từ nấm quả thể

3.4.3.8. SCP từ tảo

3.4.3.1. Thuật ngữ SCP

Thuật ngữ SCP được dùng lần đầu tiên để nói về các dạng Pr thu nhận từ nấm men (cơ thể VSV đơn bào)

Protein

Protein đa bào Protein đơn bào

Protein TV Protein ĐV

Protein có nguồn gốc từ VSV

- Casein - Globulin

- Nấm men - Spirulina

155

SCP

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

3.4.3.2. Lý do sx SCP

Nhu cầu Protein: 70 – 100g Pr/ người/ngày (cid:2)Thiếu Protein

HƯỚNG GIẢI QUYẾT (5)

1. Nông nghiệp

2. Chăn nuôi

3. Khai thác biển

4. Tổng hợp hóa học

5. Sản xuất và sử dụng SPC

(cid:1)Sản xuất Pr từ nấm men: Sac. cerevisiae, Candidas utilis, Tropicalis utilis (cid:1)Sản xuất Pr từ tảo: Spirulina Chlorella, platensis, Slenedemus (cid:1)Quy mô sx: quy mô lớn, có lợi ích kinh tế cao

3.4.3.2. Lý do sx SCP (tt)

tính chất

lượng Pr: SCP tương

NHƯỢC ĐIỂM SCP (cid:1)Không phù hợp với 1 số thực phẩm: màu, mùi, cơ lý (cid:1)Có một số tế bào VSV cơ thể người không thể hấp thu

156

ƯU ĐIỂM CỦA SCP (cid:1)Hàm lượng Pr: SCP cao hơn Pr ĐV và Pr TV (cid:1)Chất đương Pr ĐV, cao hơn Pr TV (cid:1)VSV dùng nguyên liệu rẻ tiền (cid:1)Sx SCP không phụ thuộc vào khí hậu, điều kiện địa lý (cid:1)Có thể sản xuất theo quy mô công nghiệp

4/20/2011

3.4.3.3. Nguyên liệu sx SCP

VSV

Nguyên liệu

Hydrocarbon wastes from petroleum industry.

Hygrogenomonas, Cellulomonas, Pseudomonas

Nấm men

Whey, ethyl alcohol, starches, n-paraffins, sulphite waste, etc.

Candida spp., Saccharomyces fragilis, Torula sp., Rhodotorula spp

Nấm mốc

Aspergillus terreus, Trichoderma reesei, Penicillium spp.

Paper-pulp, starches, coffee wastes, straw, bassage, etc.

Tảo

culture ponds

Scenedesmus acutues, Scenedesmus acutues, Spirulina, Chlorella

whey, sulphate waste liquors, hydrocarbon waste from the pet petroleum industry, and the vats used to produce alcoholic beverages. The production process involves growth of the organisms in large fermenting tanks with forced aeration for vigorous cell-growth. Manufacture process used by British Petroleum Industry for single-cell protein from hydrocarbons : is represented 17.7. Fig. in

3.4.3.4. SCP từ vi khuẩn

•Các giống thường được sử dụng đều có khả năng đồng hóa các alkan (C6 – C18)

Cơ chất

VSV

Metan

Hydocacbua (dầu từ mỏ)

Methylomonas methanica Methylococens capsulatus Pseudomonas, Corynebacterium Mycobacterium Brevibacterium

•Phải tinh sạch và chế biến để làm thức ăn cho người

157

Nuôi Mycobacterium trên 1kg metan thu được 1kg sinh khối có hàm lượng Pr 60 – 70%; Gl 20 – 40%; L 2 – 4%; khoáng 2-6%, các vitamin, đặc biệt là B12

4/20/2011

•Hàm lượng Pr lớn: 60 – 65% •Pr nấm men là Pr hoàn hảo, tương đương Pr thịt •Không chứa độc tố •Nga: sx trứng cá hồi nhân tạo từ Pr nấm men •Anh, Pháp: bổ sung 40% Pr nấm men vào nước chấm Maggi

3.4.3.5. SCP từ nấm men 3.4.3.5.1. Đặc điểm SCP từ men

Trong chiến tranh thế giới 2, Đức sx Candidas utilis như 1 nguồn thực phẩm thay thế cho Pr. SCP từ Can. utilis được FDA cho phép sử dụng. Đức bổ sung trong thực phẩm, nhiều nước trên thế giới sử dụng nó trong CBTP

Candidas utilis

3.4.3.5.2. PP thu nhận các sản phẩm trong tế bào nấm men để làm thực phẩm cho người

PP VẬT LÝ •Sock nhiệt: Đông lạnh sinh khối VSV ở-20oC ÷ -40oC/2-4h rồi đưa ngay về 40 – 45oC. Làm sock nhiệt 3 lần liên tiếp sẽ phá vỡ được 100% tế bào •Sử dụng năng lượng: lò viba, hồng ngoại, tử ngoại •Nghiền: ít sử dụng khi sản xuất lớn

(cid:4)PP hóa học (cid:4)PP vật lý (cid:4)PP sinh học (cid:4)PP kết hợp

PP HÓA HỌC Thủy phân bằng acid hoặc kiềm •Phá hủy a.a trong tế bào, giảm giá trị dinh dưỡng •Sản phẩm thu được khi sử dụng kiềm: 50% a.a dạng L + 50% a.a dạng D (cơ thể người không hấp thu được) •Thiết bị phải chịu được acid và kiềm •Độc hại

158

4/20/2011

3.4.3.5.2. PP thu nhận các sản phẩm trong tế bào nấm men để làm thực phẩm cho người (tt)

PP SINH HỌC

Thủy phân bằng enzyme ngoại bào và nội bào • Cơ chế sử dụng enzyme ngoại bào: glucanase hoặc dùng hỗn hợp cellulase để phá vỡ thành tế bào •Cơ chế sử dụng enzyme nội bào (tự phân): tạo đk cho enzyme có sẵn trong tế bào tự phân hủy tb bằng cách điều chỉnh to, pH Thông số kỹ thuật trong quá trình tự phân Tỷ lệ nước: sinh khối men paste= 1,8 -2 lit : 1kg Duy trì pH 4,5 – 5 Duy trì To = 48 – 52oC Thời gian: 10 -12h Sau quá trình tự phân, sấy để thu bột Pr đậm đặc (60% Pr). Bổ sung bột Pr với các sản phẩm thực phẩm khác

www.gbd.edu.vn

3.4.3.6. SCP từ nấm mốc

•Nấm sợi thường sinh trưởng chậm hơn nấm men.

•Thời gian thế hệ: khoảng 10h

•Hàm lượng Pr trong nấm sợi thấp: khoảng 30%

•Các loài nấm dùng để sản xuất SPC trong thực phẩm:

- Kết hợp Trichoderma viridea và Sac. cerevisiae - Kết hợp Trichoderma viridea và Candida utilis -Kết hợp Endomycopsis và Candida utilis

159

•Dễ tách sinh khối, hương vị đặc biệt

4/20/2011

3.4.3.7. SCP từ nấm có quả thể

•Các loại nấm có quả thể: nấm mỡ, nấm mèo, nấm rơm, Morchella (Mor. Crassique, Mor. esculata, Mor. Hortesis nuôi Morchella rất tốn kém và dễ bị tạp nhiễm)

•Cung cấp 30 – 50% Pr

•Khó công nghiệp hóa

•Môi trường nuôi cấy rẻ tiền: rơm, rạ, cây mục, mạt cưa, phế thải, vỏ chuối, vỏ cà phê, rỉ đường…

a t a l u c s e . r o M

160

•SPC từ nấm lớn sx nhiều ở: Úc 3000 tấn/năm, Đài Loan, Indonexia…

4/20/2011

Các hình ảnh trồng nấm tại Bắc Kinh -TQ

161

4/20/2011

Các hình ảnh trồng nấm tại Bắc Kinh -TQ

Các hình ảnh trồng nấm tại Bắc Kinh–TQ - Mr Quân

162

4/20/2011

3.4.3.8. SCP từ tảo

Đặc điểm SPC từ tảo •Hàm lượng Pr cao: 70 – 75% chất khô •Pr tảo là Pr hoàn hảo, chất lượng cao •Không có độc tố nguy hiểm tồn tại trong sinh khối tảo

Điều kiện sinh trưởng, phát triển của tảo •VSV tự dưỡng quang năng •Cần cung cấp ánh sáng, môi trường nuôi sâu 20 -30cm. •Tự tổng hợp chất hữu cơ •Tăng sinh khối nhanh. Kích thước lớn, thuận lợi cho việc thu nhận •Không bị VSV khác tấn công.

Tảo Spirulina

•1963, Brandily tìm thấy tại hồ Tchad (Châu Phi)

•1968, hội nghị quốc tế (Thụy Điển) bàn về lợi ích và cách nghiên cứu sản xuất tảo Spirulina làm thức ăn cho người, đặc biệt là trẻ sơ sinh, vận động viên

•1980, công bố rộng rãi các giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học của Spirulina ở Pháp, Mỹ, Nhật, Canada, Mehico, Đài Loan…

163

•1985, Spirulina được đưa vào VN.

4/20/2011

Tảo Chlorella

Chlorella (tảo đơn bào, lục tiểu cầu)

Quy trình xản xuất SPC từ tảo Chlorella

164

Sống trong nước ngọt

4/20/2011

Quy trình xản xuất SPC từ tảo Spirulina

165

4/20/2011

Spirulina được nuôi trong ao sâu 30 cm

1ha bề mặt thu nhận 10 – 15 tấn tảo/năm

Spirulina

Chlorella

Dày

Thành tế bào Hình thái TB

Tròn

Mỏng 5µm *2mm, xoắn 60 - 73

Pr (%)

40 -50

Glucid (%)

4,7 - 6

25 – 35

Lipid (%)

7 - 8

10 -15

Tro (%)

4 - 5

10 -34

4-5

Khoáng (Ca, P, Fe, Na, Cl, Mg, Mn, K,

Nhiều

ít

Vitamin (B3, B12, B6, B1, E, β caroten, acid folic…) Các acid amin thiết yếu Net protein utilization - N.P.U

Nhiều 80-85%

Ít hơn Thấp hơn

166

4/20/2011

Spirulina

Chlorella

Đặc điểm nuôi cấy pH To

Nổi trên bề mặt Không khuấy sẽ chìm pHop = 8,5 – 9 To op = 35 ít bị chi phối

pHop = 5,5 – 7 To op = 35 Bị chi phối

Ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối PP thu hoạch

Đơn giản

Phức tạp

TÌNH HÌNH SX VÀ SỬ DỤNG TẢO TRÊN TG •Các bộ tộc ở Châu Phi và Châu Mĩ la tinh đã sử dụng Spirulina làm nước chấm, nấu cháo, chế biến thức ăn.

•Bổ sung Pr cho người và gia súc, thực phẩm chức năng

•Xử lý môi trường

•Các nước sản xuất tảo theo quy mô công nghiệp:

167

Mỹ, Mehico, Đài Loan, Nga, Tiệp, Đức, Bungari, Nhật, Myanma, Thái Lan, Ấn Độ, TQ….

4/20/2011

TÌNH HÌNH SX VÀ SỬ DỤNG TẢO TẠI VN

1985-1995, TS. Nguyễn Hữu Thước nghiên cứu đề tài "Công nghiệp nuôi trồng và sử dụng tảo Spirulina".

Bs Nguyễn Thị Kim Hưng (HCM) "Nghiên cứu sx và sử dụng thức ăn có tảo Spirulina trong dinh dưỡng điều trị“

Một số địa phương nuôi trồng tảo Spirulilla: Vĩnh Hảo (Bình Thuận), Châu Cát, Lòng Sông (Thuận Hải), Suối Nghệ (Đồng Nai), Đắc Min (Đắc Lắc).

Công nghệ: nuôi tảo trên các bể nông xi măng sử dụng khí CO2, nguồn CO2 lấy từ các nhà máy bia, cồn, rượu…nén hóa lỏng vào bình chứa.

SPIRULINA FARM:

Production, harvesting, drying and conditioning of micro algae spirulina, located in Guanacaste, the only one in C.A., 5 hectares land or 12.35 acres, culture size is 2000m2, production of around 3.5 tons per year with capacity to 5 tons, 8 productions pools of 250m2 each covered with greenhouses, full working equipments, independent home of 130m2, 60 meters deep well and more. International clients from Germany / Switzerland / France, classification as one of the best production and product over the world.

USD $954,000

168

4/20/2011

Dự án SEVAS nuôi tảo ở Ấn Độ

Ao xi măng nuôi tảo ở Komatipalli, South India Dự án SEVAS

Spirulina Packets: (Powder) 100 gms - Rs. 200 ($ 5) One Kilo - Rs. 2000 ($ 50)

Spirulina Tablets:

100 Gms - Rs. 250 ($ 6.5) One Kilo - Rs. 2500 ($ 65) 25 % of total amount will go to SAVAS Spirulina project

169

4/20/2011

Bổ sung sản phẩm tảo Chlorella vào sản phẩm tảo Spirulina đã làm tăng khả năng đào thải kim loại nặng khỏi cơ thể.

150 viên/hộp,70.000đ/hộp; 15 viên/ngày

186.000 VND/ hộp

www.gbd.edu.vn

170

3.5. Công nghệ sản xuất polysaccharide từ VSV

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

3.6. Công nghệ enzyme

3.6.1. Các khái niệm cơ bản

3.6.2. Nguồn thu nhận chế phẩm enzyme

3.6.3. Sản xuất enz từ VSV

171

3.6.4. Cố định enz

4/20/2011

3.6.1. Các khái niệm cơ bản

Chế phẩm enzyme: sp thương mại hay hàng hóa, sp có hoạt tính enz Enzyme: chất xúc tác sinh học vì nó có ở tất cả các tế bào sinh vật

Tính chất enzyme

Sản phẩm enzyme

- Đặc hiệu - Khả năng xúc tác cao - Chỉ hoạt động ở Top, pHop

Có 1 enz trội vượt so với các enz khác

Tổ hợp nhiều enz •Phát hiện thấy > 2000 enz. • 200 chế phẩm enz được sử dụng nhiều •Các sản phẩm có ứng dụng rõ ràng kèm theo khuyến cáo về cách sử dụng. •Các chế phẩm phổ biến: chế phẩm enz thủy phân: protease, amylase, pectinase.

3.6.1. Các khái niệm cơ bản (tt)

172

(cid:1)Enz ngoại bào (exoenzyme): chiếm đa số, vsv tổng hợp enz rồi đẩy ra ngoài tế bào chất (cid:1)Enz nội bào (endoenzyme): vsv tổng hợp enz rồi giữ lại trong tế bào chất (cid:1)Enz bản thể (constitutive enzyme): vsv tổng hợp enz, mà không phụ thuộc vào điều kiện môi trường và điều kiện nuôi cấy (cid:1)Enz cảm ứng (inductive enzyme): thường là enz nội bào. Cảm ứng phụ thuộc vào thành phần thức ăn trong môi trường. Khi môi trường có chất cảm ứng, vsv chỉ sinh tổng hợp những gì cần thiết, với hàm lượng đủ cho nó sử dụng

4/20/2011

3.6.1. Các khái niệm cơ bản (tt)

ĐƠN VỊ HOẠT ĐỘ CỦA ENZYME

IU: 1 đơn vị hoạt độ IU là lượng enzyme cần thiết để: xúc tác chuyển hóa 1 µmol cơ chất hoặc xúc tác tạo thành 1 µmol sản phẩm trong 1 phút ở các điều kiện xác định (pH, nhiệt độ, nồng độ, cơ chất…)

Một đơn vị hoạt độ của Termamyl 120L (α amylase) là lượng enzyme cần để thuỷ phân 5,26 g tinh bột trong một giờ (chất nền là tinh bột hoà tan, Canxi 0,0043M trong 7’- 20’ ở 37oC tại pH 5,6)

Lượng enz xúc tác càng thấp thì hoạt tính enz càng cao

3.6.2. Nguồn thu nhận chế phẩm enzyme

173

(cid:2)VSV: các VSV này được xếp loại là VSV an toàn GRAS (generally recognized as safe) (cid:2)Thực vật (cid:2)Động vật

4/20/2011

3.6.3. Sản xuất enz từ VSV

3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme

3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV

3.6.3.2.1. Thu nhận sinh khối thô

3.6.3.2.2. Phá vờ tế bào

3.6.3.2.3. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz

3.6.3.2.4. Tinh sạch enz

3.6.3.2.5. Bổ sung chất bảo vệ, ổn định enz

3.6.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới sx enz từ VSV

3.6.3.4. Đánh giá chất lượng chế phẩm enz

3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme

Chủng loại:

Hoạt tính

Giải pháp cải thiện hoạt tính

Thời gian thu nhận

Giá thành

174

Khả năng phát triển công nghệ

4/20/2011

oryzae

Wheat bran

Starch hydrolysis to dextrin and sugars mainly in alcoholic fermentation, food preparations & fabric; in preparing adhesives; in designing textiles; in clarifying fruit juices; in manufacturing medicines.

3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme (tt) Enzyme VSV Substrate Use Amylases Asp.

Enzyme Microorganism Substrate Use Pectinase Aspergillus,

Penicillium sp.

Wheat bran

line

In clarification, pressing, filtration and concentration of fruit juices and wines; in hydrolyzing pectin in the retting of flex for the manufacture in coffee-bean fermentation.

3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme (tt)

Enzyme VSV Invertase Sac.

Substrate Use Sugarbeet

cerevisiae

hydrolysed

In hydrolyzing sucrose to glucose and levulose; in producing non crystallization from sucrose which is syrups this partially enzyme; in candy making; in producing artificial honey.

Enzyme Microorganism Substrate Use Cellulase Trichoderma

Cellulose Digestive add; in cellulose

reesii

hydrolysis to cellobiose; in cheese making.

Rhizopus sp.

Lipase

into

Wheat bran

Digestive add; in hydrolyzing fat fatty acid and glycerol.

175

4/20/2011

3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme (tt)

Enzyme VSV

Substrate Use

Proteases Asp. niger,

Bacillus spp.

Wheat bran

liquid

from

In leather processing; ion food processing; in manufacture glue;in degumminga of silk; in clarification of beer protein haze and as an adjunct to soap for cleaning in laundries; in tenderizing meat; in recovery of silver spent film (photography).

acid,

nước

được

mắm

phải

chịu

Protease được sử dụng nhiều nhất. Protease dùng trong nước tương, muối. Protease dùng trong bột giặt phải chịu được kiềm

3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme (tt)

Microorganism Substrate Use

Enzyme Takadiastase Aspergillus spp. Wheat

bran

dextrinization of

designing

Strach and textiles; bread supplement; in production syrups; in digestive aid Cheese production.

Rennin

spp. genetic

Bacillus (via engineering)

176

4/20/2011

3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV

3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV (tt)

177

How are enzymes manufactured?

4/20/2011

Lên men VSV

3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV (tt)

Nguồn enz nội bào Nguồn enz ngoại bào

Thu nhận tb (Ly tâm/lọc) Loại bỏ tb (Ly tâm/lọc)

Phá vỡ tb (đồng hóa)

Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb (Ly tâm/lọc)

Cô đặc (Siêu lọc/tủa)

Bổ sung chất bảo vệ, chất ổn định Sấy phun

Enz lỏng

Enz bột

3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV (tt) PP LÊN MEN

LÊN MEN BỀ MẶT (VN) (Solid state fermentation) LÊN MEN BỀ SÂU (TG) (Submerged fermentation)

Ưu: đầu tư ít

Nhược: diện tích lớn Canh trường thu nhận được là tổ hợp của nhiều enzyme

178

Ưu: •Lượng cơ chất sót thấp •Tự động hóa, cơ giới hóa •Không cần lao động thủ công •Áp dụng phổ biến •Thu nhận 1 enzyme vượt trội so với các enzyme khác •Hoạt tính enzyme cao (tính theo hàm lượng cơ chất trong môi trường hoặc theo g chất khô của canh trường) Fermenter 5L

4/20/2011

Enz ngoại bào Xử lý dịch lên men

Thu nhận sinh khối enz thô Thu sinh khối Enz nội bào

Tủa Phá vỡ tế bào

Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz Siêu lọc

Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb

Thẩm tích

Cô đặc Tinh sạch enz = kỹ thuật sắc ký

3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV (tt)

3.6.3.2.1. Thu nhận sinh khối enzyme thô

CANH TRƯỜNG LỎNG

CANH TRƯỜNG RẮN (thu nhận enz nội bào, áp dụng cho nấm mốc và xạ khuẩn)

Enz ngoại bào: lọc, ly tâm, thu phần lỏng, dịch enz thô là canh trường lỏng

179

Lấy canh trường đem nghiền để phá vỡ thành tế bào (nếu canh trường tơi xốp thì không cần nghiền), trích ly bằng nước muối 0,9%, lọc, lấy phần lỏng. Enz nội bào: lấy canh trường , ly tâm, lọc thu sinh khối, phá vỡ màng tế bào để trích ly enzyme. Ly tâm, lọc, dịch lỏng là enzyme thô

4/20/2011

3.6.3.2.2. Phá vỡ tế bào PP PHÁ VỠ THÀNH TẾ BÀO VSV

VẬT LÝ: nghiền bằng bi thủy tinh Ф 0.2 – 0.3mm, nén áp lực

HÓA HỌC: trộn tb với các chất oxi hóa khử mạnh như benzen, hexan, tạo thành lỗ thủng trên màng tb

Nhược điểm: các dung môi hữu cơ, chất tẩy rửa có thể làm vô hoạt, biến tính enz

SINH HỌC: tự phân, enz

HÓA SINH

KẾT HỢP

3.6.3.2.3. Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb

1.Tách acid nucleic và lipid: Sử dụng nuclease tách nucleic. Tách lipid bằng cột lọc nhồi vải hoặc bông thủy tinh có độ xốp nhỏ

2. Ly tâm: 30.000 v/p trong 45’ Ưu: thích hợp để tách enz khỏi tb, mảnh vỡ tb Nhược: chi phí cao

3. Tách dịch 2 lớp

180

4. Lọc Lọc sâu: depth filter: giữ tb, mảnh vỡ tb trên bề mặt màng và ở sâu bên trong màng Lọc màng: giữ tb, mảnh vỡ tb trên bề mặt màng. Ф 0.2 - 10µm Lọc màng rẻ, thao tác đơn giản nhưng p nén, bít lỗ lọc, thủng màng lọc. Có thể dùng màng nhiều lớp, Ф lỗ lọc giảm dần

4/20/2011

3.6.3.2.3. Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb (tt)

Thứ tự xếp màng trong thiết bị lọc màng (kích thước lỗ màng lọc từ ngoài vào trong 5, 1, 0.45µm)

Polymer polyethylence glycol (PEG)

3.6.3.2.3. Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb (tt)

Dextran

Phase PEG chứa enz

Phase dextran chứa tb, mảnh vỡ

181

PP tách dịch 2 lớp ít sử dụng trong công nghiệp

4/20/2011

3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enzyme

Tủa

Muối (Na2SO4, (NH4)2SO4, NaCl) + nước làm mất lớp vỏ hydrate của Pr. Các Pr liên kết với nhau, kết tủa. Tách muối = pp thẩm tích Dung môi hữu cơ (ethanol, propanol, acetone) làm lệch cân bằng tương tác, giảm độ hòa tan của Pr. Tiến hành ở 4– 10oC. Vdung môi/ Vdd enz = (2.5 – 3)/1

Tủa ở pI: tại pI, Pr có độ hòa tan thấp, độ hydrate hóa của Pr min làm tăng tương tác giữa các Pr, dẫn đến tạo tủa Polymer: được sử dụng rộng rãi. PEG MW 6000, 12000 tỷ lệ 5 -15% w/v. Tiến hành ở 37oC. Cơ chế giống dung môi hữu cơ

3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz (tt) Thẩm tích

Thẩm tích: qt siêu lọc tách các LMW (thành phần đệm, peptid, muối, etylic, a.a…) ra khỏi dd Pr.

182

Tiến hành loại muối và lọc trước khi thẩm tích. Liên tục bổ sung dung môi sạch vào dd Pr để lấy những phân tử có LMW ra khỏi dịch nhờ qt thẩm thấu. tách những chất tích điện ra khỏi những chất không tích điện và ngược lại

4/20/2011

3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz (tt)

Cô dịch enz = chất trao đổi ion

Cô dịch enz = siêu lọc

3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz (tt)

Cô dịch enz = chất trao đổi ion

Nguyên lý: điều chỉnh pH và lực ion để tạo tủa chứa Pr gắn kết với chất trao đổi ion mang dấu ngược với Pr. Ly tâm để tách tủa, giải phóng Pr khỏi chất trao đổi ion, rửa chất trao đổi ion để tái sử dụng

Chất trao đổi ion (chất mang) Kiểu trao đổi ion

183

Diethyaminoethyl (DEAE) Quaternary ammonium (Q) Quaternary aminonium (QAE) Carboxymethyl (CM) Methyl sulphonate (S) Sulphopropyl (SP) Trao đổi anion Trao đổi anion Trao đổi anion Trao đổi cation Trao đổi cation Trao đổi cation

4/20/2011

3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz (tt)

Cô dịch enz = siêu lọc

Ưu: không làm mất hoạt tính Pr, hiệu suất tách cao.

Nhược: dễ bị bít lỗ lọc

Màng lọc có Ф1 – 20nm để tách Pr có MW từ 1 – 300kDa.

cellulose acetate

nitrate,

Vật liệu màng siêu lọc: chế tạo từ hoặc màng polyvinyl, cellulose polycarbonate.

3.6.3.2.5. Tinh sạch enz

Tinh sạch enzyme = kỹ thuật sắc ký

Kỹ thuật sắc ký dựa trên tương tác của Pr với chất mang để phân tách

Sắc ký lọc gel (gel filtration)

Sắc ký trao đổi ion (ion exchange chromatography)

Sắc ký ái lực (affined chromatography)

184

Điện di (electrophoresis)

4/20/2011

Nguyên tắc hoạt động của các sắc ký thông dụng

Kỹ thuật sắc ký Bản chất

Sắc ký trao đổi ion Khác biệt về điện tích trên mặt Pr ở giá

Sắc ký lọc gel

Sắc ký ái lực

Sắc ký tương tác kỵ nước Sắc ký đẳng điện

Sắc ký trên nền hydroxyapatide trị pH quy định Khác biệt về hình dạng và MW của phân tử Dựa vào tương tác đặc hiệu giữa Pr và ligand tương thích Khác biệt về tính kỵ nước trên bề mặt Pr Tách theo điểm đẳng điện của từng phân tử Pr Tương tác tổng hợp giữa Pr và chất mang Ca-phosphate

3.6.3.2.6. Bổ sung chất bảo vệ, chất ổn định

•Các chất bảo vệ: propylene glycol, glycerol, sorbitol.

•Dịch enz cô đặc: thường bổ sung sodium thêm ammoniumsulfate, sulfate, sodium chloride để tạo tủa hoặc tinh thể enz.

185

•Để giữ enz ở dạng huyền phù bổ sung silicon dioxide

4/20/2011

3.6.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới sx enz từ VSV

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH LÊN MEN – PP BỀ MẶT

•ĐỘ ẨM

•CHIỀU CAO MÔI TRƯỜNG

•NHIỆT ĐỘ

•CUNG CẤP OXY

•pH

•THỜI GIAN

Các thông số cố định

PP 1 Thời gian

Nồng độ enz

•THIẾT BỊ

2 Lượng S mất đi (hay lượng P tạo thành)

Nồng độ E 3 Thời gian

Nồng độ E

Lượng S mất đi (hay lượng P tạo thành)

186

3.6.3.4. Đánh giá chất lượng chế phẩm enz ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHẾ PHẨM ENZYME Hoạt tính xúc tác: số đơn vị hoạt độ trong 1g/1mL chế phẩm Hoạt tính của E = số đơn vị hoạt độ/g (mL) Đơn vị hoạt tính của enz: số lượng enz có khả năng xúc tác cơ chất/đơn vị thời gian Số đơn vị hoạt độ tỷ lệ thuận với hoạt tính enz và độ tinh sạch của enz Độ tinh sạch: số đơn vị hoạt độ có trong 1mg Pr của chế phẩm (tính theo Pr vì bản chất của enz là Pr) Các enz kỹ thuật là sản phẩm thô, hoạt tính enz = 2 -5%Pr tổng số. Theo dõi Biến thiên của S hay P Thời gian

4/20/2011

3.6.4. Cố định enzyme

3.6.4.1. Giới thiệu chung về cố định enz

3.6.4.2. Chất mang để gắn enz

3.6.4.3. Phương pháp cố định enz

3.6.4.4. Các dạng bình phản ứng và enz cố định

3.6.4.5. Các ứng dụng của enz cố định

3.6.4.6. Cố định enz và cố định tế bào VSV

3.6.4.1. Giới thiệu chung về cố định enz

Ưu điểm

• Tái sử dụng nhiều lần (60 – 70 lần) mà hoạt tính enz giảm không đáng kể

• Không lẫn enz trong sản phẩm

niệm: Khái gắn enz lên 1 chất mang trơ hóa học, enz tạo tan không trong nước • Có thể gắn đồng thời nhiều enz lên chất mang để thực hiện chuỗi phản ứng. Từ đó có thể xây dựng mô hình hệ đa enz trong tế bào để nghiên cứu

• Có thể cơ giới hóa, tự động hóa

187

• Có thể hồi lưu để lặp lại phản ứng nếu sản phẩm chưa đạt yêu cầu

4/20/2011

3.6.4.2. Chất mang để gắn enzyme

Chất mang hữu cơ Chất mang vô cơ

Tổng hợp hóa học: bền với tác động MT và VSV

bền với tác động MT, khó gắn poly-acrylamid,

Polymer: poly-styren, poly-acetate

Tự nhiên: không bền với tác động MT và VSV

Các oxit kim loại (Al, Mg, Ti), cao hoạt than lanh, sợi tính, bông thủy tinh

tinh

Dẫn xuất cellulose (sợi bông, dăm lõi ngô), dẫn xuất chitin, bào, bột, chitosan, collagen, alginate, oligosaccharide (dextran)

3.6.4.2. Chất mang để gắn enzyme (tt)

Yêu cầu của chất mang để gắn enzyme

•Gắn chặt với enz, không được tách ra khỏi enz trong khi phản ứng

•Dễ tìm, giá rẻ

•Không làm thay đổi hoạt tính của enz

188

•Bền trong môi trường

4/20/2011

189

4/20/2011

3.6.4.3. Phương pháp cố định enzyme

PP vật lý PP hóa học

(liên kết vật lý) sự hấp phụ, tạo khuôn gel, bao bọc màng bán thấm đồng kết (liên hóa trị giữa enz và chất mang)

3.6.4.3. Phương pháp cố định enz (tt) - PP vật lý

sử dụng

190

•PP vi túi (micro capsul): gắn và nhốt enz trong màng bán thấm. Có thể nhốt đa hệ enz trong vi túi. • Ứng dụng: vi túi urease chữa bệnh thận, catalase chữa co cơ. Gắn vi túi enz vào các cơ quan không tổng hợp được enz, vi túi không đi theo máu. •PP hấp phụ: trộn chất hấp phụ với enz. Enz hấp phụ trên bề mặt chất mang nhờ liên kết (ion, kỵ nước, tĩnh điện, Vander –Walls) •Ưu: đơn giản, nhiều chất mang khác nhau) •Nhược: không bền, nếu thay đổi pH, To đột ngột sẽ giải hấp phụ (tách enz ra)

4/20/2011

3.6.4.3. Phương pháp cố định enz (tt) - PP hóa học

Gắn chất mang qua chất hoạt hóa trung gian (2 giai đoạn).

PP sử dụng phổ biến. Thường sử dụng với chất mang vô cơ như sợi thủy tinh, sợi silicate

GĐ1: hoạt hóa chất mang

Chất mang

Chất hoạt hóa

Chất mang Chất hoạt hóa

GĐ2: Gắn chất mang đã hoạt hóa với enz

Enz

Chất mang Chất hoạt hóa

Chất mang Chất hoạt hóa Enz

3.6.4.4. Các dạng bình phản ứng và enzyme cố định

Enzyme cố định lơ lửng – huyền phù

Enzyme cố định trên màng mỏng, xếp nhiều lớp

Enzyme gắn trên sợi cellulose (xếp các sợi thẳng đứng, bó sợi)

Enzyme cố định gắn trên màng mỏng, kích thước lớn, cuộn xoắn

191

Lớp enzyme cố định có chiều cao đáng kể, dày

4/20/2011

3.6.4.4. Các dạng bình phản ứng và enzyme cố định (tt)

Thiết bị (Bioreactor)

Tháp hình trụ, h>> Ф, h đủ lớn để có thời gian phản ứng giữa cơ chất S với enzyme E

Đường dẫn cơ chất ở đỉnh, có van ở đáy để tháo sản phẩm, có thể điều chỉnh V

Cấu tạo: Bình có 2 lớp vỏ, ở giữa có nước để điều chỉnh nhiệt độ phản ứng.

Đường hồi lưu lên đỉnh tháp.

3.6.4.5. Ứng dụng của enzyme cố định

•Sản xuất fructose bằng enzyme glucose isomerase cố định

•Sản xuất L-acid amin

•Sản xuất sữa béo “philactose”

•Urease cố định dạng vi túi chữa bệnh thận, phân giải urea

•Sử dụng enzyme glucose oxydase để định lượng nhanh glucose trong dịch sinh học

192

•Enzyme pectinase cố định

4/20/2011

3.6.4.5. Ứng dụng của enz cố định (tt) Tinh bột

α amilase

Dextrin MW nhỏ α amilase GA

Glucoseisomerase

Glucose

Fructose

Glucoseisomerase được tách từ xạ khuẩn Actinomyces

Tinh sạch

Chất mang: silicrom (dẫn xuất cellulose)

Chất hoạt hóa: glutaraldehyte Dung dịch giàu fructose

3.6.4.6. Cố định enz và cố định tế bào VSV

CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VSV •Không phải tách chiết enz, không tốn công sức

•Các enz hoạt động trong môi trường tế bào (dạng tự nhiên), thuận lợi, phù hợp hơn enz được tách chiết ra

•Tận dụng được đa hệ enz trong tế bào

•Có khí hóa, tự động hóa, sản xuất liên tục

•Phổ hoạt động của enz trong tế bào thường khá rộng

193

•Lựợng enz có thể tăng lên khi tế bào sống

4/20/2011

3.6.4.6. Cố định enz và cố định tế bào VSV (tt)

Tế bào VSV cố định

Enzyme cố định •Đều gắn lên chất mang •Có thể tái sử dụng •Các chất mang dùng cho enz cố định đều có thể dùng cho cố định tế bào VSV Thiết bị có thể tương tự nhau Chất mang gắn trực tiếp với enz hoặc gắn lên chất hoạt hóa)

Chất mang không gắn trực tiếp với enz mà gắn với màng tế bào VSV. Enz ở trạng thái tự do, có thể dịch chuyển trong tế bào Cần cung cấp dinh dưỡng để nuôi tế bào Không cần cung cấp dinh dưỡng để nuôi enz

194

ứng dụng của cố định tế bào VSV trong sx giấm ăn

4/20/2011

www.gbd.edu.vn

3.7. Công nghệ sx các sp lên men truyền thống

195

Hầm ủ rượu tại Dynasty