cong nghe len men hien dai
DESCRIPTION
cong nghe len men hien daiTRANSCRIPT
4/20/2011
1
Công nghệ lên men
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
2
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 họcđể đọc hiểu và thuyết trình power point (4sv/nhóm)
1.2.2. Chọn 1 bài báo tiếng Việt liên quan tới môn học để đọchiểu và thuyết trình power point (2sv/nhóm)
1.2.3. Chọn 1 đề tài đã được thực hiện liên quan tới môn học đểđọc hiểu và thuyết trình power point (4sv/nhóm).
2. ĐIỂM THI KÊT THÚC MÔN HỌC (70%)
Thi viết tự luận
4/20/2011
3
NỘI DUNG CHI TIẾT HỌC PHẦN 2Phần 1. Mở đầuPhần 2. Kỹ thuật lên men 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
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
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
4
(From latin “fervere”)
1.1.1. Khái niệm về lên men (fermentation)
www.gbd.edu.vn
Quan điểm của nhà hóa sinh học: lên men là quá trình sản sinhnăng lượng. Các hợp chất hữu cơ hoạt động với vai trò vừa làchất cho, vừa là chất nhận điện tử. Lên men là quá trình yếmkhí, năng lượng được sản xuất không cần có oxy hoặc các chấtnhận điện tử vô cơ khác.
Quan điểm của Pasteur: 1857, Ông công bố quá trình lên menkhông phải “công trình của sự chết” như những nhà hóa họcnghĩ mà là “công trình của sự sống”. Ông đưa ra khái niệm tínhkỵ khí và ái khí của VSV và sự lên men là hệ quả của “cuộcsống không có không khí”
Theo nghĩa mở rộng: lên men là quá trình nuôi cấy VSV (có oxyhoặc không có oxy) để thu nhận sinh khối, các sản phẩm trao đổichất, thực hiện sự chuyển hóa cơ chất.
1.1.1. Khái niệm về lên men (tt)
4/20/2011
5
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)
www.gbd.edu.vn
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
1.1.1. Khái niệm về lên men (tt)
4/20/2011
6
The fermentation technology is the combined
application of the knowledge of process
engineering, biochemistry and microbiology for
designing or evaluation a fermentation process.
1.1.2. Khái niệm về CNLM (fermentation technology)
Sản phẩm Sản lượng (tấn/năm)
Acid foods (citric, lactic) 100,000
Alcohol 1,000,000
Amino acids 10 – 100,000
Antibiotics 10 – 30,000
Enzymes 0.1 – 3,000
Pharmaceutical proteins 0.001 - 3
SCIENTIFIC KNOWLEDGESCIENTIFIC KNOWLEDGE
Biochemistry
Microbiology
Molecular Biology
Process engineering
InformaticsStatistic
Immunology
Physiology
TOOLS / TECHNICAL ADVANCESTOOLS / TECHNICAL ADVANCES
Biosensors
Bioinformatics
Bioprocess
Protein engineeringExperimental design
Process analysis
ENVIRONMENTENVIRONMENTBioremediation
Environmental monitoringPollution control
Useful Useful ApplicationsApplications
FARMINGFARMINGYield
Animal healthFeed stocks
PHARMACYPHARMACYDiagnostics
Vaccines
Therapeutics
FOODFOOD
4/20/2011
7
What I should do to do fermentation?Media preparation
Fermenter preparation
Sterilization
Adjusting parameters
Inoculation
Cultivation
Taking samples
Dev
elop
men
t the
pro
duce
r st
rain
Harvest
Medium design
Physiology
Kinetics
Agitation/Aeration
Scale-up
conservation
Optimization
Fermenter types
Operation modes
�CÁC SP TRAO ĐỔI CHẤT
SP TĐC BẬC 1: acid amin,vitamin, acid citric …
SP TĐC BẬC 2: enzyme VSV,kháng sinh…
SP lên men: rượu, acid lactic…(lên men kỵ khí)
Cơ chất Tế bào (biomass)
1.2. PHÂN LOẠI CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN TỪ VSV
� SINH KHỐI VSV(biomass): protein đơn bào(SPC), men bánh mì, giốngkhởi động (starter)
Cơ chất Sản phẩm + Tế bào(SP TĐC)
4/20/2011
8
Phân loại sản phẩm lên men theo quan điểm kinh tế
Bio-productsHigh value – Lowproduct volume(MostlyMostly dependsdepends ononthethe substratesubstrate price)price)
Medium value – Highproduct volume (TheTheprocessprocess isis relativelyrelativelyexpensiveexpensive andand somesomecomplexity)complexity)
Low value – Highproduct volume(MostMost ofof thethe productionproductioncorrespondcorrespond totopurificationpurification processprocess)
• Antibiotics
• Vitamins
• Enzymes
• Vaccines
• Steroids
• Hormones
• Other pharmaceutics
• Amino acids
• Organic acids
• Biopolymers
• Baker yeast
• Microbial polysaccharides
• Ethanol
• Biomass
• Methane
• Acetone
• Butane
• Fructose syrups
• Feeding products
Cost distributionHigh volume and Low value product
Low volume and High value product
High investment cost (phí đầu tư cao) High investment cost
High raw material cost (phí nguyên liệu cao)
Cost are distributed in all production stages
High conversion efficiency (hiệu quả chuyển đổi thấp)
High recovery of the product in the fermentation stage
Low recovery cost (Phí quay vòng thấp) High purification cost
Low margin profit (lợi nhuận thấp) High margin profit
Only few regulatory problems (phải theo quy định pháp luật)
Too much regulatory and legyslation restrictions, and high plant hygiene
Required not much R&D expenditures (không tốn nhiều tiền cho RD
Required too much R&D Cost
Low qualification of the labor force is acceptable (Người lao động có thể ko cần trình độ chuyên môn cao)
Very high qualification of the labor force is nedeed
4/20/2011
9
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
www.gbd.edu.vn
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
10
VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN TP
TP lên men với sự tham giacủa VSV trong tự nhiên (TPlên men truyền thống)
TP lên men với sự tham giacủa VSV thuần khiết (TPlên men công nghiệp)
�Sx thủ công, quy mô nhỏ,năng suất không cao� Không kiểm soát đượcquá trình, chất lượng chưaổn định và chưa đồng đều.� Mang bản sắc ẩm thực,kinh nghiệm, văn hóa củamỗi dân tộc
�Sx quy mô lớn, năng suất cao� Chủ động cấy 1 lượng VSVvào nguyên liệu�Kiểm soát được quá trình lênmen, chất lượng ổn định &đồng đều
�Phải có tốc độ sinh trưởng và phát triển mạnh, thuần
�Phải tạo ra sản phẩm có năng suất sinh tổng hợp cao, chất lượng tốt
�Phải có tính thích nghi nhanh trong điều kiện sx CN
�Phải có khả năng chống chịu lại VSV tạp nhiễm
�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
� Chủng VSV được bảo quản dễ dàng, tồn tại các đặc tính trong suốt thời gian sử dụng
� Có khả năng thay đổi các đặc tính bằng kỹ thuật di truyền để cải thiện, nâng cao năng suất
� Không hoặc ít tạo thành sản phẩm không mong muốn
2.1.1. Yêu cầu giống VSV trong CNLM
4/20/2011
11
2.1.2. Kỹ thuật tạo giống
Phân lập trong tự nhiên
PL trong đk sx công nghiệp
Tạo giống VSV mới (áp dụng kỹ thuật di truyền)
PP Nguyên tắc Ưu điểm Nhược
PL trongtự nhiên
có cơ chất, có VSVphân giải cơ chất
nguồn VSV phongphú đa dạng
Tốn thời gian,hoạt lực VSVcòn thấp
PL trongsx CN
Tính thích nghi cao Hiệu quả cao, VSVđã quen với điềukiện sx công nghiệp
/
TạoVSV =KTDT
Tiếp hợp, tái tổ hợp Tạo được giốngVSV có đặc tínhmong muốn
Yêu cầu trìnhđộ cao, thiếtbị hiện đại
Các trung tâm lưu trữ giống trên thế giới và Việt NamABBOTT: Abbott Lab, North Chicago, III.60064, USAATCC: America Type Culture Collector, 12301, ParklawDrive Rockvill Md20852, USAHIR: Food and Fermentation Divisio, Hokkatdo ProfecturalIndustrial Research Institute Saporo, JapanFERM: Fermentation Research Institute, Agency ofIndustrial Science and Technology Ministry of IndustrialTrade and Industry, Chiba, JapanVTCC, IMBT, National University, HaNoi, [email protected]; www.biotechvnu.edu.vn (Ngân hàng giốngquốc gia, HN)
Bảo tàng giống: www.bacteriummuseum.org
4/20/2011
12
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
�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.
�Nồng độ các chất trong MT nhân giống. Nồng độ đường hoặc muối cao tăng p thẩm thấu ức chế VSV�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� Nhiệt độ: chọn To nhân giống = To
op của VSV
4/20/2011
13
�Quan sát đại thể
� Quan sát vi thể
�Kiểm tra hoạt lực giống VSV (thoái hóa)
Giống VSV bị tạp nhiễm, thoái hóa phảiphân lập lại hoặc thay giống khác
2.1. 4. Kỹ thuật kiểm tra chất lượng của giống VSV
Kiểm tra độ thuần của giốngthường xuyên (bị nhiễm từ ống gốc)Khử trùng MT dinh dưỡng; với cácMT có bào tử cần khử trùng triệt đểhơn. Ví dụ diệt bào tử Bac. subtilis1800C/60’ - 90’ (Bị nhiễm trong qtnhân giống)
Giống VSV bị thoáihóa: do tác độngcủa môi trường bêntrong và tác độngcủa những sảnphẩm TĐC dochính VSV tiết ra
2.1.5.1. Huấn luyện thích nghi giống vi sinh vật� 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 nêntính thích nghi bền vững.
� Khi tạo được tính thích nghi của VSV phải luôn duy trì tác độngở mức độ đã tạo ra tính thích nghi. Đặc điểm này không bền.
Yêu cầu: người thực hiện phải có tính kiên trì.
2.1.5. Kỹ thuật nâng cao chất lượng giống
Khuẩn lạc nấm men trên Hansen Agar có hàm lượng đường 26, 28% (phương pháp huấn luyện giống)
4/20/2011
14
2.1.5.2. Đột biến VSV
Đột biến bằng tác nhân vật lý ( tia U.V):
Tia U.V được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chọn giốngVSV. Tia U.V có khả năng tạo ra các đột biến có chất lượng caohơn chủng loại ban đầu hàng trăm lần.
Tia U.V ở λ=260nm thường gây ra những đột biến điểm caonhất. Đây là loại bức xạ không ion hóa và gây ra những biếnđổi 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 bềnvững (kháng kháng sinh). Trên môi trường này, các tế bào mẫncảm với kháng sinh sẽ bị giết chết, chỉ còn các tế bào đột biếnđối kháng là tồn tại
Số lượng khuẩn lạc/ nồng độ kháng sinh trong MT nuôi cấy
Nhóm
10-7 (không bổsung kháng sinh)
0,01mg/ml 0,1mg/ml 0,5mg/ml
1 34 8 2Không
xuất hiện khuẩn
lạc
2 58 5 3
3 107 7 5
4 Nhiễm Nhiễm 5
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
15
2.1.5.3. Lai giống nấm menNguyên 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 trìnhlai giống được.Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện
Cách thực hiện lai giống nấm men1. 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 ngày3. Hai giống nấm men đã lai với nhau nếu trên M2 xuất hiện
khuẩn lạc4. Kiểm tra giống thu nhận có phải là lưỡng bội thể bằng
cách: Cấy khuẩn lạc trên môi trường M2 vào môi trườngThạch acetat (M3). Ủ 48h
5. Làm tiêu bản, quan sát dưới kính hiển vi, nếu thấy nangchứa 4 bào tử (tế bào lưỡng bội thể) chứng tỏ lai thànhcông.
6. Kiểm tra tính trạng cần quan tâm.
4/20/2011
16
2.1.5.4 Sử dụng kỹ thuật di truyền hiện đạiKỹ thuật biến đổi gen để tạo ra các sinh vật có tính trạng đích theo ý muốn
Súng bắn gen
4/20/2011
17
Mục đích: đảm bảo được tính chất của giống (duy trì gần nhưnguyên vẹn đặc tính ban đầu của giống VSV trước lúc cấtgiữ) 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 ởđiều kiện và giai đoạn tối ưu cho bảo quản.
Bước 2: Chọn phương pháp thích hợp cho bảo quản.
2.1.6. Kỹ thuật bảo quản giống VSV
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 dinhdưỡng, 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 đổigiống 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 yếmkhí và hiếu khí, hạn chế tiếp xúc với oxy, ngăn hiện tượngmất 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
18
2.1.6.3. Bảo quản giống trong cát, đất sấy khôNguyên tắc: Sử dụng đất, cát như những giá thể mang. Khi độẩm môi trường giảm tối thiểu, VSV không phát triển nữa. (Đấtvà cát là môi trường tối thiểu)Cách thực hiện: Xử lý đất, cát (rây đều, ngâm trong HCl hoặcH2SO4 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 vàoống nghiệm, lắc đều, sau đó rót qua ống nghiệm khác. Hàn kínmiệng ống
Ưu điểm: thích hợp để BQ các giống VSV trong xử lý môitrường, trong nông nghiệp (phân bón) không đòi hỏi mức độtinh 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 trựctiếp (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
19
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 giọtgelantine nhỏ. Sấy khô trong tủ hút chân không
4/20/2011
20
2.1.6.7 Bảo quản giống bằng phương pháp lạnh đông
Nguyên tắc: Sự phát triển của VSV sẽ bị ức chế ở nhiệtđộ lạnh sâu. Cần sử dụng chất bảo vệ VSV (glycerin15%, saccharose 10% + gelantin 10%... Giúp VSVkhông 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 trongcác 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 cácống giống theo quy mô công nghiệp.
Cách thực hiện: giống, nhân giống trong môi trường lỏng, kiểmtra 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 độthường, thời gian bảo quản dài
Nhược điểm: chi phí lớn
4/20/2011
21
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
cells
biomass
CO2
H2O
Products
nutrients
¿How to describe a fermentation process?
Conversion process of nutrients to products of the microbial metabolism
CHmOl + aNH3 + bO2 → cCHpOnNq + dCHrOsNt + eCO2 + fH2O (1)
(source of N& O2) (biomass)Metabolic by products or
Interest product
Substrate
Rest of the nutrients
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
22
Carbon & Energy source
+ O2Nitrogen source
+
Other required nutrients
+ Cells Products+ + CO2 Heat+ H2O+
Monitor the consumption of the carbon source:
• Chemical analysis
• Chromatography
Determine O2 consumption:
Paramagnetic O2 analyzer
Mass spectrometer
Dissolved O2
Monitor the consumption of the nitrogen source:
Chemical analysis
NH3 electrode
pH-stat
Nitrate electrode
Monitor the consumption of essential nutrients:
Chemical analysis
Ion selective electrodes
Measure cell components:
Protein
DNA and RNA
Carbohydrates & Lipids
EnzymesMonitor product formation:
Chemical analyses
Mass spectrometer
pH and viscosity
Chromatography (gas and HPLC)
Enzyme electrode
Monitor CO2 production:
IR analysis
Mass spectrometer
Energy balance
Heat evolution
Direct estimation of cell mass:
• Cell dry or wet weight
• Optical density
•Direct estimation of cell number:
• Microscope count
• Viable plate count
• Light scatteringDir
ect
met
hods
Indi
rect
m
etho
ds
Methods for monitoring fermentation kinetics
Ảnh hưởng của loại cơ chất tới µ
Loại cơ chất µmax (h-1)
Glucose 0,28
Maltose 0,22
Maltotriose 0,18
dt
dX
X
1=µ
X: VSV (tb/ml)
S: cơ chất (g/L)
P: sản phẩm (g/L)
t: thời gian
Đường cong sinh trưởng
I. Adaptation (thích nghi)II. Exponential (bùng nổ)III. Stationary (ổn định)IV. Accelerated death (suy tàn)
Pha thích nghi µµµµ = 0
Pha bùng nổ µ = µmax
Pha ổn định µ = 0, do dX / dt = 0
µ: tốc độ tạo sinh khối riêng (Specific growth rate )
4/20/2011
23
SK
S
s += maxµµ
Is K
SSK
S2max
++
= µµ
2.2.1.Phương trình Monod µ: tốc độ tạo sinh khối riêng (sự giatăng 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
.
KS: hằng số Monod,là nồng độ cơ chấtkhi tốc độ tạo thànhsinh khối = µmax/2.KS được xđ bằngthực nghiệm.KS = f(chủng VSVvà cơ chất)
VSV Cơ chất Ks (mg/L)
Saccharomyces sp. Glucose 25
E. coli Glucose 4
Lactose 20
Aspergillus sp. Glucose 5
Candida sp. Glycerol 4,5
Oxygen 0,042 – 0,45
Pseudomonas sp. Methanol 0,7
Methane 0,4
Hansenula sp. Methanol 120
Ribose 3
Phương trình Monod: mối liên hệ giữa nồng độ cơ chất vàtốc độ sinh trưởng của VSV
Ý nghĩa thực tiễn của pt Monod:
Tính được, dự đoán được tốc độ tạo sinh khối riêng (µ) ởnồng độ cơ chất (S) nhất định.
Hạn chế:
- Pt Monod không đúng khi [S] quá cao. Khi [S] quá cao thìµ giảm do [S] quá cao: tạo áp suất thẩm thấu, ức chế VSV.
- Pt Monod chỉ đúng trong một khoảng giới hạn của [S]
2.2.1.Phương trình Monod (tt)
4/20/2011
24
2.2.2.1. Ảnh hưởng của giống VSV
2.2.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất2.2.2.3. 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 pHenzyme VSV chỉ hoạt động tốt ở pH nhất định.
pH tối ưu của mỗi VSV là khác nhau2.2.2.5. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác: chất ức chế
2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lên men
Cells
IN OUTInternal
External• T• pH• Medium• Agit. Areac.• Modo Oper.
• Cell. Conc. • Prod. Conc. • Metabolites
2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lên men (tt)
4/20/2011
25
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
www.gbd.edu.vn
2.3.1. Chuẩn bị môi trường
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…)
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
26
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
27
Phân loại phương pháp lên men:�Theo sự phát triển của VSV trong môi trường:
�Lên men chìm: LM trong các fermentor với môi trường lỏng�Lên men bề mặt: LM trong các khay với môi trường lỏnghay môi trường có cơ chất rắn hay xốp�Theo nguyên lý hoạt động của thiết bị (Operation mode)
�Lên men tĩnh (lên men theo mẻ) (batch culture)�Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất (fed – batch culture)
�Lên men liên tục (continuous culture)�Điều kiện lên men
�Lên men hiếu khí: thông khí bằng hệ thống trục khuấy cósục khí (sx biomass)
�Lên men kị khí (sản xuất rượu, bia)
2.3.3. PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
Lên men tĩnh được coi là 1 hệ khép kín do khôngcó tác động của các yếu tố bên ngoài (trừ khí)
Fermentation
Air
Air
Inoculation
Culture Media Preparation
Sterilization
Lên men tĩnh (Lên men theo mẻ- Batch culture)
Harvesting
Cell growth can be expressed as:� Dry cell weight (g dry biomass /L culture)� Wet cell weight (g wet biomass /L culture)� Optical density (O.D)� Cell counts on Petri dishes
Other parameters used for the characterization of batch cultures�Number of generations or duplications�Duplication time�Yields: Product/Substrate (YP/S); Biomass / substrate (YX/S)�Productivity: Volumetric productivity (P); Specific productivity (qP)
4/20/2011
28
Pha Lag: dài từ vài phút tới vài giờ.Tlag = f (đk môi trường: pH, To, MTnuôi cấy và VSV).Tlag không tạo ra sp, ảnh hưởng tớitổng năng suất của qt LM
LnX
timeT lag
Năng suất = Lượng SP mong muốn (g/L)
Tổng thời gian lên men (h)
Adaptation PhaseExponential PhaseStationary Phase
Clean & decontaminate Load
SterilizeCulture
Unload1. Correct ratio
Inoculum volume
(1/5 - 1/10) Fermentor volume
3. The inoculum should be inexponential phase at themoment of inoculation
=
Inoculum culture medium
Fermentor culture medium
2.
How to minimize the Lag phase ?
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
Mass Balance in batch culture
4/20/2011
29
Lên men theo mẻ- Batch cultureƯu điểm Nhược điểm
Đơn giản, hạn chế được sựlây nhiễm.Thích hợp để bắt đầunghiên cứu 1 sản phẩm.Cho phép chọn các thông sốvà nghiên cứu được sựtương tác của chúng.Xđ được MT dinh dưỡng, µ,tốc độ tối ưu tạo thành sp
�Năng suất thấp. Nồng độ cơ chấtcao ức chế VSV.�Không kiểm soát được tốc độsinh trưởng của VSV.�Tính đồng đều của SP không caoso với các PP khác.�Chi phí lớn (hệ thống tiệt trùngbằng hơi nước, nước vệ sinh thiếtbị, điện, diện tích, sức lao động
Khắc phục nhược điểm của Batch culture bằng Fed- Batch Culture và Continuous Culture
What is it?
Starts with a batch culture which, after a specific time, is fed with freshmedium. The addition of fresh medium can be synchronized with thedepletion of the growth-limiting substrate from the starting culture medium.
Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất (Fed-batch culture)
Air
1
2
Air
Feed sterilization
Harvesting
Fermentation
Fermentor inoculation
Preparation of the starting culture
medium
Fermentor sterilization
Feed additionPreparation of
the feed culture medium
4/20/2011
30
Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất - Fed-batch culture
Ưu điểm (Advantages) Nhược điểm (Disadvantages)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 trìnhdo giảm 1 số công đoạn (rửathiết bị, tiệt trùng, loading vàunloading).•Sản phẩm có tính đồng nhấtcao
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 metabolitesNếu 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
What is it?
Starts with a batch culture to which, after a specific period, fresh culture mediumis added, and cells plus exhaust medium are removed at a rate that keeps cultureconditions constant. When the interval between successive additions andextractions decreases, the culture is named continuous and its volume remainsconstant.
Lên men liên tục - Continuous culture
Fermentation
Preparation of starting culture medium
Feed preparation
Harvesting
Fermentor inoculation
Fermentor sterilization 1
Feed addition2
Feed sterilization
Fresh culture medium
Air
Spent culture medium, cells, Air
4/20/2011
31
Lên men liên tục - Continuous culture
Ưu điểm Nhược điểm
•Dịch lên men luôn được bổ sungnên các chất ức chế bị pha loãng•Tăng năng suất của quá trình doYX/S, YP/S không đổi (= constant)•Điều khiển và kiểm soát được tốcđộ cơ chất chính vào thiết bị nênduy trì µ ở YP/S tối ưu•Tăng năng suất của quá trình dogiảm 1 số công đoạn (rửa thiết bị,tiệt trùng, loading và unloading).•Sản phẩm có tính đồng nhất cao
•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
PHÂN LOẠI THIẾT BỊ LÊN MEN
�Theo nguyên lý hoạt động: fermenter hoạt động liêntục, gián đoạn, bán liên tục
�Theo cấu trúc thiết bị: fermenter có cánh khuấy(Shaking Tank), không có cánh khuấy
�Theo hình dạng thiết bị: Thùng (H/Ф ≤ 3); Tháp(H/Ф > 3); Ống (dạng tháp để nằm ngang, ít sử dụng)
�Theo năng suất: nhỏ, vừa, lớn
Fermenter Types: Shaking Tank, Bubble Column, Airlift, Packed Bed, Fluidized Bed
2.3.4. Thiết bị lên men
4/20/2011
32
Mechanical agitation
Variety of de impelents
Baffles **
Working volume = (60-70) % of V tank
Height – Diameter ratio H/D =1; H/D > 1
Heat transfer **
Fermentor: Shaking tank
Anchor
Propeller Rushton Turbine
Palette
Rake anchor
Coiled helix
Some types of impellers
Baffles
Airlift
CYTOLIFT
V= 580 ml
H= 38 cm
D= 10 cm
4/20/2011
33
Heat transfer in bioreactors
a) Continuous jacketb) External coiled jacketc) Internal coiled jacketd) Coiled bafflese) With external heat interchanger
4/20/2011
34
Fermentor lên men bia tại Jangjing Beer. Chụp bởi BHQ 2007
www.gbd.edu.vn
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 inwater, required a continuous air supply into the fermentor and acontinuous transfer of oxygen from the gas phase into the liquidphase
How is the oxygen transfer into the fermentor?
Cần xđ nhu cầu oxy
4/20/2011
35
Oxygen Mass Balance:
O2 in - O2 out = O2 metabolized + O2 cumulative
O2 in = yO2 in·QAir·ρAir
O2 out = yO2 out·QEA·ρEA
O2 metabolized = qO2·X·V
O2 cumulative = d(CO2·V)/dt = V·dCO2/dt
Assuming: QAir·ρAir = QAE·ρAE
∆yO2·QAir·ρAir = V·(qO2·X + dCO2/dt)
OTR – Oxygen Transfer Rate
Flow meter
pO2
Condenser
Bioreactor
0.2 µ-Filter
yO2in, Qair, ρAir
yO2out, QEA , ρEA
O2 probe
Pmanometer
Motor, P
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
36
1. Diffusion of the O2 from the bulk gasto the gas liquid interface
2. Transport across the gas liquidinterface
3. Diffusion of the O2 through arelatively stagnant liquid regionadjacent to the gas bubble
4. Transport of O2 through the well-mixed liquid to a relatively unmixedliquid 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.gmitochondria
5, 6 and 7 are relevant only for processes in which pellets or cell aggregates appear
General mechanism of O2 transfer
How we can improve the YP/X? Strain development approach- Fermentation process optimization
2.4. CẢI TIẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN
4/20/2011
37
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
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
38
�3.1.1.1.GIỚI THIỆU VỀ ETHANOL
�3.1.1.2. NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL
�3.1.1.3. PP SẢN XUẤT ETHANOL
�3.1.1.4. SẢN XUẤT ETHANOL BẰNG PP LÊN MEN
�3.1.1.5. CHƯNG CẤT & TINH CHẾ ETHANOL SAU LÊN MEN
�3.1.1.6. SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH LM ETHANOL
� 3.1.1.7. ETHANOL – GREENFUEL
3.1.1. Công nghệ sản xuất ethanol
3.1.1.1. GIỚI THIỆU VỀ ETHANOL
• Các hình ảnh khảo cổ về việc làm rượu từ khi nềnnông 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
Tỷ trọng d2020 = 0,79067; d20
4 = 0,78927
Nhiệt độ sôi: 78,35oC
Độc đối với người và VSV
4/20/2011
39
Ảnh hưởng của ETHANOL với sức khỏe ngườiẢnh hưởng của ETHANOL với sức khỏe người
�Uống ít không gây ảnh hưởng đến tim nhưng uống nhiều có thểlàm tê liệt hệ thống thần kinh và gây ảnh hưởng xấu đến hệ thốngtuần hoàn máu.�Lượng rượu trong máu: 0.5‰ - 2‰ có thể gây say
4‰ có thể dẫn đến chết người.�Hấp thụ nhanh vào thành dạ dày (29%) (xảy ra nhanh nhất khidạ dày rỗng) phần còn lại được hấp thu ở ruột non.�Ethanol được hấp thu sẽ được oxy hoá 90-98 %. Người trưởngthành có thể oxy hoá khoảng 10 ml/h, phụ thuộc vào nồng độ cồntrong máu. Uống nhiều sẽ gây sự hấp thu nhanh hơn tốc độ oxyhoá, dẫn đến gây độc.�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, nướcmiếng ở lượng nhỏ.
Ảnh hưởng của ETHANOL với sức khỏe ngườiẢnh hưởng của ETHANOL với sức khỏe người
�Methanol (rượu gỗ) là một chất độc chết người, gây cho nhữngngười nghiện rượu tình trạng mù hay chết.
� Methanol dần dần thấm vào ruột non khi nhóm methyl củaaspartame gặp enzyme chymotripsin.
�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 bàitiết rất thấp”.
� Trong cơ thể, methanol được oxy hoá thành formaldehyt vàacid formic; cả hai chất chuyển hóa này đều là chất độc thầnkinh chết người.� Liều lượng tiêu thụ cho phép khoảng 7,8mg / ngày
4/20/2011
40
Ảnh hưởng của FURFUROL với sức khỏe ngườiẢnh hưởng của FURFUROL với sức khỏe ngườiLà chất độc với hệ thần kinh, gây nhức đầu, buồn nôn.
�Uống rượu có hàm lượng furfurol cao quá mức cho phépgây tích tụ trong dịch của phổi (phù phổi).
�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 tiếptục có thể gây mất vị giác, tê lưỡi, đau đầu, mệt và rùngmình. Tình trạng kéo dài có thể ảnh hưởng tới gan.
�Tiếp xúc lâu dài với furfurol có nguy cơ gây ung thư vànguy cơ đối với sinh sản.
Ảnh hưởng của ETHANOL với VSVẢnh hưởng của ETHANOL với VSV
Ethanol xâm nhập vào màng tế bào VSV, gâyđông tụ một số protein, ảnh hưởng đến quá trìnhTĐC của tế bào. VSV bị chết hoặc bị ức chế
Sản lượng ethanol trên TG
�Brasil: sx 0,9-1 triệu lít ethanol/ ngày (đứng đầu thế giới)
�2007, sản lượng ethanol toàn cầu: 55,7 tỷ lít
�2015, sản lượng ethanol toàn cầu: 162 tỷ lít (Theo FAO,Ủy ban Kinh tế Mỹ Latinh (CEPAL) và Ngân hàng phát triểnBraxin (BNDES)
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
41
TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ETHANOL Ở VN
�1898, sản xuất công nghiệp rượu ở VN.
�1962-1965, xuất khẩu rượu sang Đông Âu, chủ yếu là Liên Xô
�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).
�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 lớnnhỏ, tổng công suất 40-80 triệu lít/ năm (chưa kể lượng rượu dânnấu tự do).
�1997, sản lượng rượu quốc doanh đạt 17 triệu lít/ 1997. Nếu kểcả của dân thì đạt 264 triệu lít). Bình quân 3,4 lít/ người/ năm.
�2005, có khoảng 180 -200 triệu lít rượu các loại, trong đó rượucồn từ tinh bột chiếm 30 - 40%.
9/2007, Cty Petrosetco ký thỏa thuận hợp tác thành lậpliên doanh xây dựng nhà máy sx Ethanol với Tập đoànItochu Nhật Bản. Nhà máy dự định đặt tại KCN HiệpPhước - TP.HCM với công suất 100 triệu lít Ethanol/ nămtừ sắn lát.
Với 1,2 triệu tấn sắn lát xuất khẩu hàng năm, Việt Nam cóthể sản xuất được ít nhất 400 triệu lít Ethanol/ năm.
Ethanol sẽ dùng để pha vào xăng (đáp ứng 50% nhu cầucủa thị trường xăng Việt Nam)
TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ETHANOL Ở VN
4/20/2011
42
•Sx đồ uống có chứaethanol (vodka, liqueur,vang)
•Sản xuất acid acetic
•Lĩnh vực phi thực phẩm
VAI TRÒ CỦA ETHANOL
•Lĩnh vực thực phẩm
•Dược học•Y học: chất sát trùng•Năng lượng•CN hóa học
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
43
C2H4 + H2O
PP LÊN MEN
C2H5OH
Xúc tác
PP HÓA HỌC
C6H12O6
VSV
2C2H5OH + 2CO2
3.1.1.3. PP SẢN XUẤT ETHANOL
Tinh bột/Cellulose
1.1.1.4. SẢN XUẤT ETHANOL BẰNG PP LÊN MEN
4/20/2011
44
Chỉ tiêu Thành phần hoá học của một số nguyên liệu chứa tinh bột trong sx ethanol (%)
Khoai tây Ngô Sắn Gạo tẻ Tấm
Carbohydrate 12 - 21 68,4 74,74 69,2 42,0
Protein 1,2 – 3,2 8,3 0,205 7,3 5,3
Xơ thô 0,5 – 1,5 4,1 1,11 0,5 22,5
Lipid 0,1 – 0,3 5,1 0,41 1,2 2,0
Nước 72 -80 12,5 13,12 11 11,5
3.1.1.4.1. LM ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột
PP sx Nguyên liệu
VSV Đặc điểm của pp Phạm vi áp dụng
LM truyền thống
Nguyên liệu chứa tinh bột
Bánh men Đơn giản, hiệu suất thấp
Hộ gia đình
Amylose VK lactic + mốc+ men
Đòi hỏi kỹ thuật cao khi cấy VSV vào bình lên men
Quy mô sx CN
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
45
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
46
Quy trình sx rượu theo pp mycomalt
Chế phẩm VSV (mốc)
Men S. c
Phương pháp mycomalt: gđ đường hóa và rượu hóa diễn ra ở 2 thiết bị.
Sản xuất ethanol bằng pp lên men (tt)
Thủy phân tinh bộtbằng malt, chế phẩmnấm mốc
Quy trình sx rượu từ ngô theo pp mycomalt
4/20/2011
47
Quy trình sx rượu theo pp amylose
VSV (VK, mốc, men)
Đường hóa, rượu hóa
Phương pháp amylose: gđ đườnghóa và rượu hoá xảy ra gần nhưđồng thời, trong cùng thiết bị
Sản xuất ethanol bằng pp lên men (tt)
Thủy phân tinhbột bằng enzyme
VSV
Men Saccharomyces cerevisiae
VK Zymononas mobilis
VK E.coli (đã chuyển gen)
Quy trình sx ethanol theo quy mô CN
4/20/2011
48
Nghiền trục
Nghiền bột mịn Nghiền cao áp
THIẾT BỊ NGHIỀN NGUYÊN LIỆU (tinh bột)Máy nghiền búa kiểu giọt nước
4/20/2011
49
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 vàkích thước của hạt tinh bột)
Phương pháp
�Gián đoạn �Bán liên tuc
�Liên tục
Lên men ethanol từ TB theo quy mô CNNẤU NGUYÊN LIỆU – HỒ HÓA - GELATINISATION
LÊN MEN ETHANOL TỪ TB - THỦY PHÂN TB = enzyme
•Chuyển tbột thànhđường, cung cấp cơchất cho qt lên men
•Quyết định phầnlớn hiệu suất thuhồi rượu.
DỊCH HÓA
ĐƯỜNG HÓA
4/20/2011
50
LÊN MEN ETHANOL TỪ TB THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÔI TRƯỜNG LÊN MEN
Dịch lên men Yêu cầu Nitơ trong dịch lên men (nitơ hữu cơ, vô cơ)
12oP 140 -150 mg/L
16oP 200 mg/L
18oP > 280 mg/L
Dịch lên men từ sắn 300 mg/L
Dịch LM từ rỉ đường 150 – 200 mg/L
Nồng độ chất khô: 16 – 18%
Hàm lượng đường khử: 90 -100 g/LKhoáng (Nitơ, Mg, P…)
Chỉnh pH: pHop 4,5 - 5
THÔNG SỐ KỸ THUẬT TẠI CTY RƯỢU BÌNH TÂY
Trình tự công việc To (oC) phút
Xuống bột: 1080 L nước + 300kg gạo (xay ≤1mm) + 445g CaCl2 + 283mL Termamyl
32 10
Nâng nhiệt 32 ÷ 83 40
Giữ nhiệt 83 50
Nâng nhiệt 83 ÷ 95 15
Giữ nhiệt, cho vào 120mL H2SO4 95 30
Bơm và hạ nhiệt dịch nấu bằng corbin sang thùng đường hóa, đảm bảo To thùng đường hóa là 58oC
95 ÷ 58 30
Cho 32g San super, đảo trộn, giữ nhiệt 56 ÷ 58 60
dịch không làm mất màu iod, hạ nhiệt 56 ÷ 30 40
Bơm sang thùng lên men, + 50g ure
4/20/2011
51
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 VN
Năng lượng thô (MJ/kg VCK) 9,47 9,87
VCK (%) 75,9 76,7
Đường khử (%) 34,6 39
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) 47 30
Na (mg/kg VCK) 661 75
S (g/100g VCK) 0,3 0,33
Cu (g/kg VCK) 1,58 3,01
Fe (mg/kg VCK) 97 417
Mn (mg/kg VCK) 52 52
Zn (mg/kg VCK) 3,8 12,6THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MẬT RỈ
3.1.1.4.2. LM ethanol từ nguyên liệu chứa đường
(mật rỉ)
4/20/2011
52
Quy trình sx ethanol từ mật rỉ
LÊN MEN ETHANOL TỪ MẬT RỈ
4/20/2011
53
LÊN MEN ETHANOL TỪ MẬT RỈ
3.1.1.4.3. LM ethanol từ nguyên liệu chứa CELLULOSE
4/20/2011
54
CELLULOSE
4/20/2011
55
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)
•Kết hợp acid và enzyme
Thủy phân cellulose bằng enzyme
4/20/2011
56
Thủy phân cellulose và hemicellulose bằng mốc Trichoderma reseii
Sơ đồ quy trình LM ethanol từ nguyên liệu chứa CELLULOSE
4/20/2011
57
3.1.1.5. CHƯNG CẤT (DISTILLATION) & TINH CHẾ (RETIFICATION) ETHANOL SAU LÊN MEN
Quá trình thu ethanol và tạp chất dễ bay hơi từdịch 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 )
B: cột tinh luyệnC, D: bộ phận ngưng tụR: bộ phận làm lạnh spE: máy xác định v cồn
U: thiết bị thu hồi nhiệt
4/20/2011
58
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
• CO2
•Hèm rượu
Sản phẩm: C2H5OHAldehydes: by oxidation of alcoholAcids: by oxidation of aldehydesFusel Oil: by conversion of freeamino acids in water to higheralcoholsEasters: by esterification of alcoholsand acidsVolatile sulphur compounds: bycombination of sulphate and sulphurwith amino acids
4/20/2011
59
CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA ETHANOL
CÁC SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL
Nồng độ rượu ở 15oC > 96,2
Acid hữu cơ (tính theo mg acetic/l ) < 15
Furfurol 0
Metanol 0
Aldehyde tổng số (mg/L) < 4
Rượu cao phân tử (mg/L) < 4
Este (mg/L) < 30
Hàm lượng kim loại đồng ( Cu mg/l ) < 30
Xyanhydric ( HCN mg/l cồn 100o )(với cồn sx từ khoai mì
<50
SX ETHANOL BẰNG PP LÊN MEN
CÁC SẢN PHẨM PHỤ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL –BÃ MEN
HƯỚNG SỬ DỤNG MEN
�Men bánh mì
�SPC (Thức ăn cho gia súc)
�Cao nấm men (yeast extract)
4/20/2011
60
CÁC SẢN PHẨM PHỤ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL –HÈM RƯỢU
Thành phần Dịch hèm từ nguyên liệu
Khoai tây Khoai mì
Chất khô (%) 6 3,3
Protein thô (% tổng chất khô) 27 14,2
Lipid 2,7 1,8
Cellulose 8,1 2,8
Chất chiết phi nitơ 49,9 74,2
Tro 12,6 6,7
HƯỚNG SỬ DỤNG HÈM RƯỢU
�Thức ăn cho gia súc
�Nguyên liệu làm phân vi sinh
�Nguyên liệu sx vitamin bằng VSV
CÁC SẢN PHẨM PHỤ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL –CO2
Quy trình xử lý CO2
Oxi hóa
Rửa nước
Tách nước
Làm nguội Tách dầu
Xử lý bằng than hoạt tính, silicagel
Nén hóa lỏngKMnO4/ K2Cr2O7
Sản phẩm
�Bổ sung vàobia lon, nướcngọt có gas,Champagne
�Nuôi tảo
4/20/2011
61
SX ETHANOL BẰNG PP LÊN MEN HIỆU SUẤT THU HỒI ETHANOL
3.1.1.7. ETHANOL - GREENFUEL
Nhiên liệu truyền thống đang cạn kiệt
Nhiên liệu sinh học
Mật rỉ, bắp, phụ phẩm nông nghiệp,
cellulose…
4/20/2011
62
Nguyên liệu Nhiên liệu sinh học/ tổng lượng xăng dầu
EU Bắp, củ cải đường, mía, sắn
Năm 2010: 5,7%
Mỹ Bắp Năm 2012: 24 tỉ lít
Pháp Củ cải đường Năm 2010: 7%
Ấn Độ Cây Jatropha, Pongamia
Năm 2012: 5,%
Trung Quốc Cây lúa miến Tăng 12 triệu tấn nhiên liệu sinh học/năm
Philippines Mía, Cây lúa miến
Thái Lan Mía, sắn Năm 2010: 3 triệu lít
Brasil Mía
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 byfermentation. Sugar cane has an energy production per hectare that issubstantially higher than the other feedstocks considered here, but theprocess conversion efficiency is only about 0.35-0.40 GJ bioethanol perGJ feedstock. The sugar cane residue or bagasse can be burned togenerate electricity, producing about 0.08 GJ electricity per GJ feedstock.
4/20/2011
63
Production of bioethanol from corn using wet or dry milling
Wet milling, several types of residues are produced; dry millingproduces only one type of animal feed product. The starches werebroken down into C6 sugars. The current conversion efficiency of bothprocess routes is about 0.55 GJ of ethanol per GJ wheat (USDA 2002).The processes are well established but there is some limited scope forefficiency improvements.
The process is similar and very slow. The wheat is first crushed ormilled. In its passive form, malting is a process by which undercontrolled conditions of temperature and humidity, enzymes present inthe wheat break down starches into C6 sugars. These sugars arewashed out of the wheat with water, whilst the leftover residue can besold for animal feed. Fermentation at 32-35oC; pH 5.2. Ethanol isproduced at 10-15% concentration and the solution is distilled toproduce ethanol at higher concentrations.
Production of Bioethanol from wheat from malting and fermentation
4/20/2011
64
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
65
SC water: supercritical water
4/20/2011
66
9 FUEL ICONSUnleaded PetrolSuper UnleadedHigh OctaneDieselBio-EthanolBio-DieselCNGLPGLeaded Four Star.
3.1.2. Công nghệ sản xuất rượu cao độ
3.1.2.1. SX RƯỢU RUM TỪ MÍA
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
67
Husks
All the discarded husks ofthe sugar cane. The first stepin making rum is to crush thecane to get out all the juice-you can see they make a lotof rum here at River's.
SX RƯỢU RUM TỪ MÍA
After all the sugar canejuice is squeezed out,the next step in theprocess of making rumis to boil it down ingiant kettles (ex: copperkettles) - like the onesyou see here.
SX RƯỢU RUM TỪ MÍA
4/20/2011
68
After the sugar cane juice is boileddown in the coppers it has toferment for a couple of days.
SX RƯỢU RUM TỪ MÍA
Condenser
The final step is the condenser, where the alcohol getsseperated out thru coils and a cooling process. Whatcomes out is the final product- pure white rum.
SX RƯỢU RUM TỪ MẬT RỈ
4/20/2011
69
SX RƯỢU RUM TỪ MÍA
Whisky: The difference between rum and whiskymanufacture begins with the starting point. Whisky startswith barley that must be malted before it is convertedfrom a starch to a sugar that can be fermented. Afterfermentation, it is also distilled usually using a pot still orsingle column.
Cognac: The sugar that is fermented to make cognac,come from grapes. As is the French style, only grapesgrown in a particular area in France can be used. First thegrapes are fermented into wine and this is distilled inspecial stills to yield cognac.Brandy is made the same way but because the grapesaren’t grown in the Cognac region, it can not be calledcognac. All spirits are aged in a special barrel prior toblending and bottling.
4/20/2011
70
�3.1.3.1. GIỚI THIỆU VỀ BIA
�3.1.3.2. NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT BIA
�3.1.3.3. VSV TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIA
�3.1.3.4. CÔNG NGHỆ LÊN MEN BIA
� SẢN PHẨM
3.1.3. Công nghệ sản xuất bia
www.gbd.edu.vn
3.1.3.1. GIỚI THIỆU VỀ BIA - LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
�7000 B.C, Người Babylon (đưa ra văn tự luật pháp quy địnhvề việc bán rượu bia) đã pha chế được 20 loại bia.
�3000 B.C, người Ai Cập cổ đại phát minh ra ống hút để uốngbia còn lợn cợn vỏ lúa mì
�500 – 400 B.C, bia là sản phẩm dành cho người lao động
�768: Baviere sử dụng hoa houblon (trước kia dùng thảo mộcđể tạo vị đắng cho bia)
�1516: luật sx bia đầu tiên được áp dụng (bia nấu từ malt đạimạch, hoa houblon và nước
�1857: Pasteur nghiên cứu quá trình lên men ethanol, thanhtrùng bia ở 63oC/ 20 – 30’
�1883: Hansen và giống men thuần khiết
4/20/2011
71
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
VN: 5 – 10 L/người/năm
Babylonia's table (6000 BC): Describe the beer preparation
Luật sx bia
Nguyên liệu Phụ gia Công nghệ Sản phẩm
•Đức: 100%malt đại mạch
•Pháp: sử dụng30% thế liệu•VN: 20–30%gạo
•Bổ sung caramen
•Bổ sung acid
Men giống không có tế bào chết
GIỚI THIỆU VỀ BIA
4/20/2011
72
GIỚI THIỆU VỀ BIA - CÁC HÃNG LỚN SX BIA TRÊN THẾ GIỚI
�Anherue busch (Mỹ)�Heineken (Hà Lan)�Miller (Mỹ)�Kirin (Nhật)�Foster’s (Úc)�Danone (Pháp)�Brahma (Brasile)�Guiness (Anh) (bia đen)�SAB (Nam Phi)� Pilsen (Tiệp)�Carlsberg (Đan Mạch) (men chìm)
Sản lượng bia trên thế giới: >120 tỉ lít/năm
Lượng bia tiêu thụ:
CHLB Đức: 170L/người/năm
VN: 5 – 10 L/người/năm
PHÂN LOẠI BIA THEO NHÀ SX
4/20/2011
73
PHÂN LOẠI BIA THEO NHÀ SX
PHÂN LOẠI BIA THEO MÀU SẮC
VÀNG ĐEN XANHwww.gbd.edu.vn
4/20/2011
74
GIỚI THIỆU VỀ BIA
Bia là sản phẩm của quá trình lên men ethanol
từ dịch nha, không qua chưng cất
Weizen
Bia đen Munich
3.1.3.2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA
�Nguyên liệu chính: malt đai mạch
�Thế liệu: nguyên liệu giàu glucid
�Hoa Houblon
�Nước
4/20/2011
75
Nguyên liệu chính để sản xuất các loại bia.
Đại mạch nảy mầm và sấy đến độ ẩm bắt buộc
Hạt đại mạch
Hạt malt
Nảy mầm
Hoạt hoávà tích luỹhệenzyme(amilase,protase)
Hệ enzyme trong hạt malt sẽ làmnhiệm vụ cắt các hợp chất caophân tử trong nội nhũ của hạtthành các chất có trọng lượngphân tử thấp hơn (dextrin, acidamin, pepton, đường đơn…) hoàtan vào nước để trở thành chấtchiết của dịch đường.
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - MALT ĐẠI MẠCH
Chỉ tiêu chất lượng malt
Màu sắc Vàng rơm
Mùi vị Thơm
Độ chiết suất > 785
Hoạt lực enz > 285 oWK
Độ ẩm < 4,5
pH nước malt 5,8 – 6,3
Tg đường hóa 10 – 15’
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - MALT ĐẠI MẠCH
Chỉ tiêu chất lượng malt (tt)
Màu nước malt 2,8 – 3,5 oEBC
Pr tổng số 9 – 13 %
Pr hòa tan Min 4,5 %
Chỉ số Kolback 42 – 48%
Độ nhớt Mã 1,6 cp
Độ xốp Min 84%
Cỡ hạt >2,5mm >92%
Cỡ hạt <2,2mm <1,6%
4/20/2011
76
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - THẾ LIỆU
THẾ LIỆUCHỨA ĐƯỜNG:saccharose, syrusthuỷ phân tinh bột(maltose,glucose)
THẾ LIỆU
THẾ LIỆU CHỨATINH BỘT: hạt đạimạch, gạo, tấm(VN), bắp tách phôi(châu Âu), khoaimì, khoai tây, tinhbột
nguyên liệu giàu glucid, thay thế một phần hoặc toàn bộ malt đại mạch
trong sx bia
ƯU ĐIỂM
Hạ giá thành sản phẩm
Cải thiện một vài tính chấtcủa sản phẩm (tăng độ bềncủa keo…)
Tạo ra chủng loại bia cócác mức độ chất lượngkhác nhau
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - THẾ LIỆU
NHƯỢC ĐIỂM •Ảnh hưởng cho quá trình nấu(do thế liệu có ít hoặc ko cóenzyme)•Ảnh hưởng tới quá trình lênmen (Protein hòa tan trong dịchnha giảm, không cân đối thànhphần dinh dưỡng)
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
77
THẾ LIỆU SỬ DỤNG TẠI VN - GẠO
cấu trúc hạt tinh bột chặt, nhiệt độ hồ hóa cao, khó đồnghóaBia Heineken: 100% malt đại mạch
Bia Tiger: 15% gạoBia 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 lượngcảm quan
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - THẾ LIỆU
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - HOA HOUBLON
�Nguyên liệu không thể thay thếtrong công nghệ sx bia
�Tạo vị đắng dịu, hương thơmđặc trưng
� Tăng khả năng tạo và giữ bọt
� Tăng độ bền keo và tính ổnđịnh sinh học của sản phẩm.
�Trong sx bia chỉ sử dụng hoa cáichưa thụ phấn (có hạt lupulin) dohoa đực và hoa cái đã thụ phấn cóhàm lượng chất mùi và chất tạo vịthấp (không có hạt lupulin)
4/20/2011
78
Houblon tạo hương
3,85 – 5,14% α acid
Houblon tạo vị đắng
8,62 – 9,31% α acid
HOUBLON
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - HOA HOUBLON
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
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - HOA HOUBLON
Thành phần hóa học có trong hoa houblon (% khối lượng chất khô)
Độ ẩm 10 -11
Alpha acid 2 -12
Beta acid 2 - 10
Tinh dầu (> 200 chất như terpene, ester, ketone, hợp chất chứa lưu huỳnh…)
0,5 – 2
Polyphenol 2 -5
Protein 12 – 18
Lipide 2 - 4
Cellulose 40 – 50
Pectin 1 – 2
Tro 1 - 2
4/20/2011
79
Đánh giá chất lượng hoa houplon
Chỉ số Loại 1 Loại 2 Loại 3
Màu hoa Vàng ÷ vàng óng Vàng lục Vàng xanh
Màu hạt lupulin
Vàng óng ánh Vàng, vàng sẫm Vàng sẫm
Mùi Thơm dễ chịu, đặc trưng
Thơm, không có mùi tạp chất
Hơi nồng
Cánh hoa To đều chắc, không rách
Cánh hoa có thể bị rách (1,5cm), có chấm đỏ cà phê
Rách nhiều, chấm đỏ cà phê nhiều
Tạp chất <1,75% <3% <9%
Hoa bệnh 0% <1 % <5 %
Hoa đắng <10 % >12 % >10 %
Tro <15 % <11 % >12 %
Ẩm <13 % <3 % <13 %
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA - HOA HOUBLON
Hoa tươi: W 75 – 80%, VN không sử dụng.
Cánh hoa khô: W8 – 10%
4/20/2011
80
Hoa dạng hạt, viên: W 4 -6%, bột hoa khô (có thể thêm 20% bentonote SiO2
rồi tạo thành viên
Hoa cao trích ly; dạngsệt có hàm lượngpolyphenol thấp, làmgiảm độ bền keo
Hoa khô (W 4 -6%)
Nghiền
Rây (2-8mm)
Bao gói (chân không,
CO2, N2)
Bảo quản
Bột hoa khô
Quyết định đến chất lượng bia
Chiếm 90 – 95% trong bia
YÊU CẦU VỀ NƯỚC TRONG SẢN XUẤT BIA
YÊU CẦU CẢMQUAN: trong, không cómùi vị lạ
YÊU CẦU VI SINH:không có E.coli vàStreptococci/100 mlnước.
YÊU CẦU HOÁ LÝ
pH 7.0
độ cứng 2-4mg/L
độ kiềm <50mg CaC03/L
Chất khô <1500mg/L
Sulphate < 500/L
Clorute 250 – 300mg/L
Nitrate <30 mg/L
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIA – NƯỚC
4/20/2011
81
MEN NỔI
(S. cerevisiae)
MEN CHÌM
(S. carlsbergensis)
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
Khả năng sử dụng đường 3C rafinose
33% 100%
Khả năng lắng khi lên men kết thúc
Các tb kết chùm,chuỗi tạo thành lớpdày nổi lên bề mặtmt, bia trong chậm
Các tb kết chùm,chuỗi lắng xuốngđáy thùng lên menrất nhanh, bia tựtrong nhanh hơn
3.1.3.3. VSV TRONG LÊN MEN BIA
Taù ch taï p ch aá t
M alt ñ aï i maï ch /Theá lieäu
Ng h ie à n
Naá u d òch n h a
Lo ï c
Ñu n so â i v ô ù i h o a h o u blo n
Taù ch b aõ h o u b lo n
Laø m laï n h , b aõ o h o ø a O 2
Le â n me n ch ín h
Le â n me n p h u ï
Xö û ly ù laø m tro n g b ia
Baõ o h o ø a CO 2 , taø n g trö õ
Ch ie á t ch ai / lon
Th an h tru ø n g
Nö ô ù c
Houblon
O 2 v o â tru ø n g
CO 2
Chai / lon
Naá m me n Nh aâ n g io á n g
Saû n p h aå m b iachai / lon
Taï p ch aá t
Baõ malt
Baõ h o u b lo n
Sin h k h o á in aá m me n
Caë n
Caë n
3.1.3.4. CÔNG NGHỆ SX BIA
4/20/2011
82
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA
3.1.3.4.1. Sx bia – NGHIỀN
Mục đích NGHIỀN
�Tăng bề mặt tiếp xúc với nước
�Nước xâm nhập vào các thành phần trong nội nhũ nhanh hơn
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền�Độ ẩm�Cấu trúc hạt tinh bột�Thiết bị�Phương pháp nghiền
Nghiền thế liệu: gạo
Nguyên tắc: nghiền gạo càng mịn càng tốt
4/20/2011
83
Sản phẩm nghiền malt: vỏ trấu, hạt tấm lớn, tấm nhỏ, bột.
Mức độ nghiền MALT
�Nghiền thô: 20 – 25% (280mL/100g malt)
�Nghiền mịn: 50 – 60% bột (210mL/100g malt)
�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 Nghiền trục (lọc bằng nồi lọc)
Nghiền búa (lọc bằng thiết bị lọc khung bản)
Trấu 15 – 18 9 – 12
Hạt tấm lớn 12 – 15 12 – 15
Hạt tấm nhỏ 30 – 35 30 – 35
Bột 25 - 35 40 - 45
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 (cơchất cho nấm men)
3.1.3.4.2. Sx bia – NẤU DỊCH NHA
Các phản ứng xảy ra trong quá trình nấu dịch nhaThủy phân Protein: tạo thành polypeptide, peptide(endoenzyme), acid amin (exoenzyme)Thủy phân tinh bột: tạo thành dextrin, oligosaccharide(alpha amilase), maltose (beta amilase)Thủy phân hemicellulose: tạo thành beta glucan mạch ngắnThủy phân một số chất hữu cơ có chứa acid phosphoric: tạothành acid phosphoric
4/20/2011
84
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
3.1.3.4.2. Sx bia – NẤU DỊCH NHA (tt)
CÔNG NGHỆ SX BIA – Nhà máy Bia LIDA
500kg nguyên liệu/mẻ thu được 3100 – 3300L dịch lênmen. 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 đến83oC, 83oC/5’. Trong 5’, hạ xuống 72oC, 72oC/20’.Trong 20’ tăng lên 100oC, 100oC/15’. Trong 5’, hạ xuống65 – 67oC
Nồi malt: 370 kg malt + 1480 – 1850 lit nước + 300gCaCl2. Dùng H3PO4 chỉnh pH 5,3 -5,4. Khi nấu gạođựơc 60’ thì nấu malt. 40oC/20’. Trong 15’, Tăng đến50oC, 50oC/20’. Trong 10’ tăng đến 65 – 67oC .
4/20/2011
85
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 nấugạo và malt là 210’. Sau đó lọc dịch và rửa bã (40 –50’). Dịch lọc được đun sôi trong 120’. Trong thời gianđun sôi, cho hoa houblon 3 lần. Thời gian cho hoa: lần 1sau 10’ đun, lần 2 sau 30’, lần 3 sau 75’. Bổ sung 250mLcaramen để chỉnh màu dịch đường. + 2g ZnCl2 để bổsung nguyên tố vi lượng cho men.
Sau 120’ đun, chuyển qua lắng 25’ để tách cặn, các chấtkhông hòa tan như xác hoa, chất kết tủa…
Làm lạnh nhanh.
Chuyển dịch vào tank đã cấy men trước
Mục đích
Tách bỏ bã malt
Rửa bã malt
Phương pháp
Rửa bã malt bằng nước nóng
Toop = 78 – 80oC
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)
3.1.3.4.3. Sx bia – Lọc dịch nha
4/20/2011
86
So sánh hiệu quả sử dụng thiết bị lọc
Chỉ tiêu Nồi lọc Lọc khung bảnMàng lọc Bã malt Vải cotonChiều cao màng lọc 30 – 60cmTốc độ lọc 0,5 – 4,5m/s 1 – 2m/sThời gian lọc 60 – 110’ 20 – 50’; P 0,3 barLượng nước rửa Tốn nhiều nước
Thời gian rửa bã 60 – 120’, rửa tối đa 3 lần
90 – 140’. P 0,4 – 1,2 bar
Thời gian tháo bã 30 – 40 phút Tháo bã tự động
Tổn thất chất chiết Thấp Cao hơn
Độ ẩm bã Cao hơn Thấp
Mức độ cơ giới hóa và tự động hóa
Tốt Tốn nhân công
3.1.3.4.3. Sx bia – Lọc dịch nha (tt)
MỤC ĐÍCH
�Chiết chất đắng từ hoa houplon (alpha acid…)vào dịch nha, đồng phân hóa một số chất đắng
�Vô hoạt enzyme, đông tụ Protein kém bền nhiệt
�Điều chỉnh nồng độ chất khô trong dịch nha
�Tạo thành một số chất có lợi cho sản phẩm
�Tách một số hợp chất dễ bay hơi ảnh hưởng xấuđến chất lượng sản phẩm
3.1.3.4.4. Sx bia – Đun sôi dịch nha với hoa Houplon
4/20/2011
87
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
3.1.3.4.4. Sx bia – Đun sôi dịch nha với hoa Houplon (tt)
Nguyên lý: Bơm dịch nha vào thiếtbị hình trụ đứng, dung dịch chuyểnđộng theo đường xoắn ốc. Dùng lựcly tâm để lắng (lắng xoáy tâm)
3.1.3.4.5. Sx bia – Tách bã hoa Houplon
4/20/2011
88
Thành phần dịch nha
pH 5,2 – 5,4
Nồng độ chất khô 10 – 13oPt
Glucose 5 – 15 g/L
Fructose 0,5 – 2 g/L
Saccharose 2 – 6g/L
Maltose 45 – 65g/L
Trisaccharide (maltotriose, raffinose) /
Dextrin /
Beta glucan và gum 200 – 800mg/L
Nitơ tổng 500 – 1.100mg/L
Nitơ amin tự do (FAN) 100 – 250mg/L
Các chất khác (acid nucleic, vitamine, khoáng, polyphenol…)
/
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
3.1.3.4.6. Sx bia – Làm nguội và nạp oxy vào dịch nha
4/20/2011
89
Nhân giống 2 giai đoạn
PTN: thạch nghiêng, cấy vào ống 10ml nước nha+pepton ủ 12h
Cấy qua bình tam giác 150 – 170mL dịch, Ủ 12h. Cấyqua 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 dịch800L, 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
MỤC ĐÍCH LÊN MEN: Chuyển dịch nha thành bia
Lên men chính
Lên men phụ
Chuyển hóa đường thành ethanol, CO2 và các sản phẩm phụ, sp trung gianTốc 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 đường còn lại, bão hòaCO2 cho bia tươi, ổn định hươngvị, chất lượng, độ trong cho sảnphẩm, tăng giá trị cảm quan
3.1.3.4.7. Sx bia – NHÂN GIỐNG MEN & LÊN MEN (tt)
4/20/2011
90
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, …
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
3.1.3.4.7. Sx bia – NHÂN GIỐNG MEN & LÊN MEN (tt)Lên men chính – Primary 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
3.1.3.4.7. Sx bia – NHÂN GIỐNG MEN & LÊN MEN (tt)Lên men Lên men phụ – Secondary fermentation
4/20/2011
91
Hình ảnh thiết bị lên men 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….
3.1.3.4.8. Sx bia – Làm trong bia
4/20/2011
92
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
3.1.3.4.8. Sx bia – Làm trong bia (tt)
Lọc khung bản
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
Hàm lượng CO2 trong bia non: 4-4,5g/l.
Nếu không đạt tiêu chuẩn: bổ sung thêm CO2
3.1.3.4.9. Sx bia – Bão hòa CO2
4/20/2011
93
MỤC ĐÍCH
Kéo dài thời gian BQ sản phẩm
Dễ vận chuyển và sử dụng
YÊU CẦUNhiệt độ: 0 – 1oCP = 0,15 -0,2 MPa
Quy trình công nghệ ở phân xưởng chiết
3.1.3.4.10. Sx bia – Chiết và thanh trùng bia
Chỉ tiêu cảm quan Yêu cầu
Màu sắc Vàng rơm sáng
Độ trong Trong suốt
Độ bọt Bọt trắng, mịn lâu tan
Mùi Thơm đặc trưng
Vị Đắng dịu, đậm đà, có hậu, đặc trưng
Chỉ tiêu vi sinh Yêu cầu
Vi khuẩn kỵ khí 0
VKHK <1cfu/100mL
Men sót <100cfu/100mL
3.1.3.4.10. Sx bia – Chất lượng sản phẩm
4/20/2011
94
Chỉ tiêu hóa lý Yêu cầu
Chất hòa tan ban đầu (% khối lượng) 10,2 ± 0,2
Đường sót (%) 1,8 – 2,2
Độ cồn 4,3 ± 0,2
pH 4,0 – 4,2
Độ chua (mL NaOH/100mL bia) 1,6 ± 0,2
Độ màu (EBC) 7,0 – 7,2
CO2 (g/L) 4,0 – 4,5
Độ bền của bọt (giây) 150 – 250
Oxi < 3ppm
Độ đắng 20oBU
Diacetyl < 0,1ppm
Sa hình nhà máy bia tại Bắc Kinh - TQ
4/20/2011
95
3.1.4. Công nghệ sản xuất rượu vang
3.2. Công nghệ sản xuất acid hữu cơ thực phẩm3.2.1. Sx acid lactic3.2.2. Sx acid acetic3.2.3. Sx acid citric
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
96
3.2.1. Sx acid lactic
�3.2.1.1. GIỚI THIỆU VỀ ACID LACTIC
�3.2.1.2. VAI TRÒ CỦA ACID LACTIC
�3.2.1.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID LACTIC
�3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC
�3.2.1.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC
�3.2.1.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH SẢN PHẨM
•1780, Carl Wilhelm Scheele (nhà hoá học Thụy Điển) đãtách acid lactic từ sữa bị chua.•1881, sx theo quy mô công nghiệp nhờ Frémy (nhà khoahọc Pháp) đã sx acid lactic bằng pp lên men
3.2.1.1. GIỚI THIỆU VỀ ACID LACTIC
•C3H6O3 CH3-CHOH-COOH•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 ápdụng vào các lĩnh vực khác nhau
4/20/2011
97
(dạng L có trong cơ thể người)
Tỷ lệ D:L = 50:50 (Hỗn hợpraxemic (kí hiệu là DL-acidlactic)
Raxemic có dạng lỏng, tantrong nước, cồn, không tantrong CHCl3, To sôi = 122oC,nhiệt nóng chảy ở 16,8oC
Raxemic chỉ có được khi tiếnhành tổng hợp hữu cơ
D-acid lactic L-acid lactic
•LACTIC TRONG LĨNH VỰC THỰC PHẨM
•LACTIC TRONG LĨNH VỰC PHI THỰC PHẨM
3.2.1.2. VAI TRÒ CỦA ACID LACTIC
•Sản lượng acid lactic ước tính khoảng50 ngàn tấn/năm, khoảng 2/3 sản lượngđược sản xuất bằng pp lên men
4/20/2011
98
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, thíchhợp làm chai rót nóng, khay sử dụng trong lò vi ba, cácloại sợi và thiết bị điện tử chịu nhiệt
3.2.1.2. VAI TRÒ CỦA ACID LACTIC (tt)
4/20/2011
99
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…)
XỬ LÝ MẬT RỈ
Pha loãng mật rỉ (1mật rỉ : 3 nước)
Than hoạt tính
Dịch trong
Môi trường lên men lactic
Bã
Mật rỉ đã xử lý màu
H2O 5% H2SO4 (w/w)
Mật rỉ đã xử lý hệ keo
H2O Khoáng
Na2CO3/NaOH
3.2.1.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID LACTIC (tt)
4/20/2011
100
XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU CHỨA TINH BỘT
Nitơ
Nguyên liệu chứa tinh bột
Thủy phân
Môi trường lên men lactic
Nguyên liệu chứa các đường đơn giản
CaCO3
3.2.1.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID LACTIC (tt)
3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC
•1857, Pasteur kết luận VK khuẩn lactic lên men sữa• 1878, Joseph Lister phân lập được VK lactic đặt tên làBacterium 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 lacticđồng hình
4/20/2011
101
Các VSV chính sử dụng trong công nghiệp sx acid lactic hiện nay:
�Lactobacillus casei.
�Streptococcus thermophilus.
�Lactobacillus acidophilus.
�Lactobacillus bulgaricus.
�Lactobacillus delbrueckii
�Chủng có thể sử dụng tinh bột: L. amylophilus, L. amylovorus
3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (tt)
Cơ chế chuyển hóa glucose của VK lactic đồng hình
4/20/2011
102
VK Top pHop Đặc điểm sinh hóa SP
Lb. casei 35-39oC
5 – 7 +: Glu, Fructose, Lactose, GalactoseLM chậm: Maltose, Saccha., -: Manitol, Dextrin
D acid lactic
Lb. bulgaricus
45-48oC
5,4 +: Glu, Lactose, Galactose,-: Maltose, Manitol, Dextrin
L acid lactic
Lb. acidophilus
45-50oC
5,5 –6,5
+: glucose, fructose, galactose, maltose
D, L acid lactic
Lb. delbrueckii
35 -45oC
4,6 -5,4
+: Glu, fructose, galactose, maltose
-: lactose
L acid lactic
Strep. thermophilus
43 -46oC
5,8 –6,0
+: Glu, fructose, galactose, maltose
L acid lactic
3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (tt)
�Strep. thermophilus
Lb. acidophilus
3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (tt)
Lactobacillus bulgaricusLactobacillus bulgaricus
Lb. delbrueckiidelbrueckii (2(2÷÷ 7 7 ––0,40,4÷÷0,80,8µµm)m)
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
103
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
3.2.1.4. VSV LÊN MEN ACID LACTIC (tt)
Nguyên liệu
Xử lý
Môi trường lên men
Lên men lactic
VK lactic 3-5%v/v
Muối lactac
Thu nhận lactic
Acid lactic
3.2.1.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC
4/20/2011
104
Commercial lactic acid is producednaturally by fermentation ofcarbohydrates such as glucose,sucrose, or lactose.
Sản xuất L-Lactic Acid (lactide) bằng PP lên men trực tiếp khoai tây ở Hokkaido
4/20/2011
105
Sago Industry: PLA (Poly Lactic Acid) production incorporated with Sago
3.2.1.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC (tt)
4/20/2011
106
Nhà máy B&G, sx lactic lớn nhấtChâu Á ở TQ, cung cấp cho thịtrường thức ăn gia súc và sx PLA(Poly-Lactic Acid)
GALACTIC, sx L(+) lactic theo ppLM lớn thứ 2 trên TG, xuất khẩu >90% sản phẩm cho > 50 nước.
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Môi trường lên men10 – 15oBxpH = f (pHop của VK sử dụng để lên men)
Điều kiện lên men
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
VSVSử dụng chủng VK lactic đồng hìnhTỷ lệ giống 3-5% (v/v), mật độ tế bào 106 tb/ml
3.2.1.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC (tt)
4/20/2011
107
3.2.1.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH LACTIC
Công nghệ hiện đạiCông nghệ hiện đạiPP thẩm tích điện &trao đổi ionPP thẩm tích điện &trao đổi ionPP tách phaPP tách pha
Công nghệ truyền thốngCông nghệ truyền thống
Dịch sau lên men (lactate canci)Dịch sau lên men (lactate canci)
Đun dịch đến 80Đun dịch đến 80--9090ooCC
CaCOCaCO33
Chỉnh pHChỉnh pHdịchdịch 6.56.53 – 5 h
Lọc khung bảnLọc khung bản
Thiết bị tạo kết tủa CaThiết bị tạo kết tủa Ca2+2+lactate (lần 1)lactate (lần 1)Dịch lọcDịch lọc
Dịch lọcDịch lọc
Cô đặc dịch lọcCô đặc dịch lọc
sinh khốisinh khối
7070--8080ooCCKết tủaKết tủa
Thiết bị tạo kết tủa CaThiết bị tạo kết tủa Ca2+2+lactate (lần 2)lactate (lần 2)
Lactic Lactic
Tinh sạch lactic theo công nghệ truyền thốngTinh sạch lactic theo công nghệ truyền thống
Chỉnh pHChỉnh pHdịchdịch 6.56.5
NaNa22COCO33
Thẩm tích điệnThẩm tích điện
NaNa++ lactate (lỏng)lactate (lỏng) sinh khốisinh khối
Tbị Cô đặc chân khôngTbị Cô đặc chân không
Thẩm tích điện trích lyThẩm tích điện trích ly
Dung dịch acid lacticDung dịch acid lactic
Cột trao đổi ionCột trao đổi ion
LọcLọcDịch trongDịch trong
Cô đặc đến 40 Cô đặc đến 40 –– 70% W70% Wban đầuban đầu
NaNa22COCO33
Chỉnh pHChỉnh pHdịchdịch 6.56.5
Thiết bị tách phaThiết bị tách pha
PhaPha hữuhữu cơcơ (chất(chất hấphấp thụthụ lactic)lactic) ++PhaPha hòahòa tantan ((NaNa22COCO33 ++ HH22COCO33))
ChưngChưng cấtcất chânchân khôngkhông
80 – 240oC; 2 – 100mmHg
(có trialkyamin & (có trialkyamin & COCO22 (P= 75pSi)(P= 75pSi)
Dịch sau lên men (lactate canci)Dịch sau lên men (lactate canci)
Lactic tinh khiết (99%)Lactic tinh khiết (99%) PP tách phaPP thẩm tích điện
& trao đổi ion
3 – 5 h
4/20/2011
108
� Nồng độ acid lactic ≥ 95%� Chloride ≤≤≤≤ 0.1%� Cyanide ≤≤≤≤ 5mg/kg� Kim loại nặng (chì) ≤≤≤≤ 10mg/kg� Sắt ≤≤≤≤ 10mg/kg.� Cặn ≤≤≤≤ 0.1%� Sulfate ≤≤≤≤ 0.25%
SẢN PHẨM ACID LACTIC
3.2.2. Sx acid acetic
�3.2.2.1. GIỚI THIỆU VỀ ACID ACETIC
�3.2.2.2. VAI TRÒ CỦA ACID ACETIC
�3.2.2.3. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT ACID ACETIC
�3.2.2.4. VSV LÊN MEN ACID ACETIC
�3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC
�3.2.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH SẢN PHẨM
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
109
3.2.2.1. GIỚI THIỆU VỀ ACID ACETIC (ETHANOIC ACID)
•C2H4O2 CH3-COOH•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%)
•ACETIC TRONG LĨNH VỰC THỰC PHẨM
•ACETIC TRONG LĨNH VỰC PHI THỰC PHẨM
3.2.2.2. VAI TRÒ CỦA ACID ACETIC
Nhu cầu về acetic acid khoảng 6.5 triệutấn/năm (Mt/a). Khoảng 4 Mt/a đượcsản xuất từ công nghiệp hóa dầu hoặctừ các nguồn sinh học.
Tính tới 2006, VN nhập khẩu acidacetic 100%
4/20/2011
110
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 làmgiấm phải được sx bằng pp lên men.•Mùi và vị của giấm phụ thuộc vào nguyênliệu và cách sx.
3.2.2.2. VAI TRÒ CỦA ACID ACETIC (tt)
TRONG LĨNH VỰC PHI THỰC PHẨMCN hóa chất: sử dụng nhiều trong thuốc nổ
Sx polyethylene terephthalate (sử dụng trong nước giảikhát 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
Trong gia đình: acetic loãng làm sạch cặn bẩn.
3.2.2.2. VAI TRÒ CỦA ACID ACETIC (tt)
4/20/2011
111
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
•VK hiếu khí•Sau 12h, sinh khối tăng 17 triệu lần•Chuyển hóa rượu thành acid acetic
4/20/2011
112
3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC
PP HÓA HỌC (3)Methanol carbonizationButane oxidationAcetaldehyde oxidation
PP SINH HỌC
PP HÓA HỌC
•Cho tới 1960s, acetic acid được sx chủ yếu bằng pp oxi hóacác nguồn hydrocarbon.
•1960s, PP sx acetic ở quy mô công nghiệp (methanolcarbonization).
•1970s, Monsanto cải tiến pp này, giảm ½ chi phí phí sx.
•Hiện nay, sử dụng pp methanol carbonization, kết hợpmethanol và carbon monoxide tạo thành acetic acid. Lượngacetic sx từ pp này chiếm 80% tổng sản lượng
3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (tt)
4/20/2011
113
CATIVA acetic acid plants in Hull, UK (left), and Chongqing, China (right)
At the heart of this success is BP's proprietary andtrademarked CATIVA process for acetic acidmanufacture, which, with a market share of morethan 25 per cent of the 10 million tones of aceticacid produced globally each year, can justifiablyclaim to be leader of the pack.
4/20/2011
114
PP SINH HỌC
• Pasteur phát hiện ra VK Acetobacter lên men giấm
• Người Pháp đưa ra công nghệ sx giấm (pp lên men chậm)
• Thời kỳ chiến tranh thế giới thứ 2, người Đức cải tiến vàđưa ra công nghệ lên men nhanh.
3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (tt)
3.5.2.5.1. Phương pháp lên men chậm (PP Orleans)
3.5.2.5.2. Phương pháp lên men nhanh
3.5.2.5.3. Phương pháp lên men chìm3.5.2.5.4. Phương pháp kết hợp
3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (tt)
4/20/2011
115
Sơ đồ sản xuất giấm gạo bằng pp lên men acetic
3.2.2.5. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC (tt)
Môi trường dinh dưỡng�Giấm: Bổ sung vào môi trường ban đầu để acid hoámôi trường, ngăn chặn sự phát triển vi sinh vật có hại, bổsung lượng tế bào nhất định.�Rượu ethylic: được sử dụng như là một cơ chất, từ 2 -10%V, > 10% sẽ làm giảm năng suất lên men.�Các chất C, N, P và các nguyên tố vi lượng: cần bổsung thêm một số muối khoáng như: K2HPO4,KH2PO4, MgSO4.7H2O, FeCl3.6H2O, (NH4)2SO4,(NH4)2HPO4 … tùy theo nhu cầu cụ thể của từng loài.�Bổ sung thêm vitamin và các chất kích thích sinhtrưởng như: glucoza, cao nấm men, pepton...
Giấm ăn – Các yếu tố ảnh hưởng
4/20/2011
116
Ảnh hưởng của oxy
Cần lượng không khí lớn cho quátrình lên men giấm.
Để oxy hoá hết 1 kg rượu khan cần2,3 m3 không khí (theo lý thuyết),hay để oxy hoá hết 1 mol rượu cần1mol O2.
Qua thực tế nhiều tác giả cho thấylượng oxy cần thiết phải lớn gấp đôilượng oxy hoá theo lý thuyết.
Giấm ăn – Các yếu tố ảnh hưởng
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Acetobacter thuộc nhóm ưa ấm, Toop: 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 đósẽ đình chỉ sự sinh sản của tế bào làm tăng tổn thất cho vikhuẩn và làm giảm hiệu suất quá trình lên men do sự bayhơi acid acetic và rượu etylic.
Giấm ăn – Các yếu tố ảnh hưởng
Ảnh hưởng của tác nhân sinh học(Lươn giấm, bọ giấm, ruồi giấm
4/20/2011
117
Các hư hỏng thường gặp (Giấm bị đục, giảm độ chua)
�Do oxy hoá hoá học (oxy hoá rượu thành CO2 và H2O)
�Do oxy hoá sinh học: tác nhân là nấm men Comdidamycoderma, Acetobacter xylium, Acetobacter aceti, lươngiấm (2), bọ giấm, ruồi giấm (3) gây ra.
�Khắc phục (1,3): vệ sinh thiết bị lên men sạch, thanhtrùng Pasteur dịch ở nhiệt độ 60 -70oC rồi cho lên men lại,cho thêm vào K2S2O5 với liều lượng 5 – 15gam/100 lít giấmkết hợp với thanh trùng Pasteur để tăng độ bền của giấm,đậy kín thiết bị
�Khắc phục (2): cho 1 – 2% NaCl vào giấm thành phẩm.Sau 1 – 2 ngày lươn giấm chết, lọc hoặc đưa nhiệt độ lênđến 40 – 500C rồi lọc để loại bỏ lươn giấm.
Giấm ăn – Các hư hỏng thường gặp
3.5.2.5.1. PP LÊN MEN CHẬM (PHÁP - PP Orleans)
Xuất xứ: từ 1670 ở vùng trồng nhonổi tiếng tại Pháp (dịch vang nho đểtrong những thùng gỗ hở nắp dầndần bị đục, có màng trắng phủ trênbề mặt chứa VK Acetobacterorleaneuse và trở nên chua).
Hiện nay chỉ còn một vài nướcchậm phát triển còn sử dụngphương pháp này, trong đó có VN
4/20/2011
118
Thùng lên men acetic theo pp Orleans (150 L)
Nguyên liệu: dịch nhoLên men trong thùng gỗsồi 250 – 300 litV dịch lên men: 1/2 - 2/3 VthùngMôi trường lên men: 12 –14oBxVSV: Ace. orleaneuseThời gian lên men: 10 – 20ngày – 5 tuầnHàm lượng acid acetic đạtđược: 5 -6%
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
�Trong dd acetic phải còn 5% cồn
�Thanh trùng Pasteur
�Bổ sung 0,2% NaCl để tiêu diệt lươn dấm
3.5.2.5.1. PP LÊN MEN CHẬM (PHÁP - PP Orleans) (tt)
4/20/2011
119
�Xuất xứ: Shiizenbachi tìm ra năm 1923.
�Nguyên tắc: tạo ra bề mặt tiếp xúc lớn hơn giữa VKAcetobacter với không khí để oxy hóa rượu bằng cách sử dụngvật 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, thểtích 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.
�Ưu điểm: Thời gian lên men nhanh 5 – 6 ngày.
�Nhược điểm: Hiệu suất kinh tế chưa cao (rượu và acid làchất dễ bay hơi), thiết bị phức tạp, khó điều chỉnh thiết bịthông khí.
3.5.2.5.2. PP LÊN MEN NHANH (ĐỨC)
B1.Thanh trùng chất mang
B2. Gắn VSV vào chất mang
B3. Cho dịch lên men tiếp xúc với VSV cố định
Nhược điểm
Thổi khí làm oxi hóa rượu và acetic
Ưu điểm
Thời gian lên men nhanh
Hàm lượng acid acetic cao
Thiết bị đơn giản
Ít tốn diện tích
3.5.2.5.2. PP LÊN MEN NHANH (ĐỨC) (tt)
4/20/2011
120
Thiết bị lên men giấm (Vinegar Generator)
Thùng lên men gỗ, hìnhtrụ, H=2,5 – 6m; Ф=1,2– 3m; H= 2 Ф• Có hệ thống thổi khí từdưới lên trên•MT lên men: Cồn, 0,1 –0,5% đường, P, N, K• VSV: Ace. xylinum gắnvào chất mang (mạt cưa,lõi bắp)
• Tgian LM: 8 - 10 ngày
•Hàm lượng acid aceticđạt được: 8 -10%
3.5.2.5.2. PP LÊN MEN NHANH (ĐỨC) (tt)
�Hệ thống lên men acetic đượcgọi là acetator.
�Cho dung dịch lên men vàothiết bị và thổi khí rất mạnh.Khi đó trong dung dịch lên mensẽ tạo ra thể huyền phù và dungdịch lên men. Hai thể này luôntrộn lẫn vào nhau và như vậyquá trình oxy hoá xảy ra rấtmãnh liệt.
� Ưu điểm: hiệu suất chuyểnhoá có khi đạt được 98 – 99%.
Thiết bị lên men chìm
3.5.2.5.3. PP LÊN MEN CHÌM (Submerged Process)
4/20/2011
121
Cấu tạo hệ thống lên men: phần trên là lớp đệm (lớp chấtmang chứa VSV), lớp giữa là 1 thùng chứa dung dịch saukhi lên men ở phần trên chảy xuống, dưới cùng là hệthống thổi khí mạnh, khí sẽ được thổi qua phần dung dịchnày rồi chuyển ngược lên phần trên (giống thiết bị lênmen chìm).
� Ưu điểm: hiệu suất lên men rất cao, nồng độ acidacetic 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
Bình lên men hồi lưu, có sục khí tại PTN Vi Sinh –ĐH NL. VK Acetobacter aceti được cố định trênchất mang là bã mía. Cơ chất là dung dịch nước xoài
4/20/2011
122
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 hoặcCH3COONa). 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
BLND-101 / V-101
BlendingPFLN-101 / PF-101
Plate & Frame Filtration
INX-101 / C-101
Ion Exchange
CMPS-101 / G-101
CF Compressor
HSRL-101 / ST-101
Heat Sterilization
FRMN-101 / F-101
Fermentation
AFLN-101 / AF-101
Air Filtration
AFLN-102 / AF-102
Air Filtration
STRG-101 / V-103
Storage Tank
C-Source
Water 1
S-103
S-104S-105
S-106
S-107 S-108
S-109
S-112
AirS-115
S-117
S-119
S-120
S-121
Citric Acid Production - Recovery Based on Precipitation
BLND-103 / V-104
Blending
Nutrients
HSRL-102 / ST-102
Heat Sterilization
S-102
S-110
S-111
Water 2RVFL-101 / RVF-101
Rotary Vacuum Filtration
RXN-101 / R-101
Product Precipitation
RVFL-102 / RVF-102
Rotary Vacuum FiltrationRXN-102 / R-102
Gypsum Formation
RVFL-103 / RVF-103
Rotary Vacuum Filtration
RVFL-104 / RVF-104
Rotary Vacuum Filtration
RDRNG-101 / RDR-101
Rotary Drying
S-101
S-113 Biomass
S-118
Lime
S-123
S-124
S-125
S-126
S-127
Sulfuric AcidS-129
S-130
S-131Gypsum
S-137
S-138
S-139
S-140
S-141
Product
CCRN-101 / R-103
Cont. Crystallization
S-122
S-128S-133
S-134
3.2.3. Sx
acid citric
4/20/2011
123
Elements $/kg $/año %Raw material 0,40 3 949 000 17,79Depreciation and 1,09 10 866 000 48,96MaintenanceSalaries 0,27 2 668 000 12,02Operation supply 0,00 19 000 0,09Lab./QA 0,04 400 000 1,80Waste treatment 0,13 1 290 000 5,81Aux. facilities 0,30 3 003 000 13,53Total 2,22 22 195 000 100,00
3.2.3. Sx acid citric – chi phí sx
Costo de producción
0,1%
1,8%
5,8%
12,0%
17,8%13,5%
49,0%
Materias primas
Depreciación
Salarios
Sum de operación
Lab/Aseg. Calidad
Tratam. de residual
Fac. auxiliares
3.3. Công nghệ sản xuất acid amin3.3.1. Sx Lysine
3.3.2. Sx Glutamic
4/20/2011
124
CÁC PP SX ACID AMIN
•THỦY PHÂN PROTEIN
•TỔNG HỢP HÓA HỌC
•CHUYỂN HÓA SINH HỌC
•LÊN MEN
ỨNG DỤNG CỦA ACID AMINThực phẩmHóa họcY họcCác lĩnh vực khác
3.3. Công nghệ sản xuất acid amin
4/20/2011
125
3.3.1. Sx Lysine
�3.3.1.1. GIỚI THIỆU VỀ LYSINE
�3.3.1.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT LYSINE
�3.3.1.3. VSV LÊN MEN LYSINE
�3.3.1.4. LÊN MEN LYSINE
�3.3.1.5. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH 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
•Ứng dụng: thêm vào khẩu phần ăn của trẻ emgiúp trẻ ăn ngon miệng, hấp thụ dinh dưỡngtốt, phát triển chiều cao; chất phụ gia thức ăn;thực phẩm chức năng, dịch truyền amin, bổsung vào thức ăn gia súc
3.3.1.1. GIỚI THIỆU VỀ LYSINE
4/20/2011
126
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
3.3.1.1. GIỚI THIỆU VỀ LYSINE (tt)
1985, ở Nhật Bản sx lysineở qui mô lớn bằngCorynebacteriumglutamicumTổng sản lượng trên TG:1triệu tấn/năm
MT lên menGlucose: 50g (10 – 12%)tinh bột ngô (đã loại béo): 20 gNguồn nitơ: ure, các loại muối amon hoặc nướcamoniac: (NH4)2SO4: 25g; Urea: 1 gKhoáng: muối Photpho 0,008 – 0,02mg/l;KH2PO4: 2.5gMgSO4.7H2O: 0.75g (0,03 – 0,5%)biotin 7,5µg/l; treonin 40mg/lduy trì pH = 7.0 bằng NaOH 2MNhiệt độ: 28 – 300C.
3.3.1.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT LYSINE
Cơ chất: mật rỉ, methanol, glucose….
4/20/2011
127
• 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 năngđồng hoá glucose, fructose, maltose, saccharose.
Không có khả năng đồng hoá lactose, rafinose, pentose
3.3.1.4. VSV LÊN MEN LYSINE
VSV Cơ chất Y (g/L)
Cyronebacterium glutacium b-6
Rỉ đường 32oC/48h 100
C.glutacium H-8241 10%Sucrose 32oC/72h 48
C.glutamicum 18%Glucose 27oC/70h 60
C.lactofermentum AJ 12592
Glucose 31,5oC/48h 11,8
Brevibacterium lactofermentum AJ 12937
Glucose 31,5oC/58h 120,5
B.lactofermetum Glucose 32oC/72h 48,8
Bacillus methanolicus
Methanol 32oC/48h
3.3.1.4. VSV LÊN MEN LYSINE (tt)
4/20/2011
128
Sinh khối & các sp liên quan trong sx lysine bằng C. glutamicumATCC 13287 theo thời gian khi nuôi cấy theo mẻ (mmol/mol)
Sản phẩm 5.8 h 6.9 h 8.1 h 9.2 h
Biomass 86.1 68.1 55.5 56.2
Lysine 0.0 191.0 181.9 184.0
Valine 0.0 0.0 8.6 15.2
Alanine 0.0 0.0 3.1 17.4
Glycine 8.3 0.0 1.7 3.9
Glutamate 0.0 0.0 0.0 0.0
3.3.1.4. VSV LÊN MEN LYSINE (tt)
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
Duy trì nồng độ Methanol trong bình phản ứng: 100mM
4/20/2011
129
�3.3.1.4. LÊN MEN LYSINE
Thiết bị lên men có cánhkhuấy và thổi khí liên tụcQuá trình gồm hai pha: 18 –24 h đầu (Pha tạo thành sinhkhối) + 40 – 60h sau (Phatạo thành lysine)
Công nghệ sinh học LM L-Lysine được cải thiện khôngngừng và sự tiến bộ về kỹthuật đã tạo ra số lượnglớn lysine đáp ứng nhu cầungày nay
Lysine – C. glutamicum
4/20/2011
130
Asp: Aspactat
Asp-P: beta Aspactyl phosphate
ASA: Aspactate beta Sinialdehyde
DAP: DihydropicolinasyntetaseAK: aspartokinase
Lys: Lysine
Hom: Homogerin
Thr: Threonin
Ile: Ilexin
Met: Methionine
HSD: homoserinedehydrogenase
4/20/2011
131
4/20/2011
132
Pilot-Scale Batch Production of High Lysine Content Animal Feed Suppliment (20h/mẻ)
Pilot-Scale Continuous Production of High Lysine Content Animal Feed Suppliment
4/20/2011
133
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
©2006 by National Academy of Sciences
4/20/2011
134
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 thểDịch sau khi ly tâm sẽ tái kết tinh để thu nhận triệt để lysine có trong dịch lên menHòa 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
�3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC
�3.3.2.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT GLUTAMIC
�3.3.2.3. VSV LÊN MEN GLUTAMIC
�3.3.2.4. LÊN MEN GLUTAMIC
�3.3.2.5. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
�3.3.2.5. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC
4/20/2011
135
M = 147,13
To nóng chảy: 247 – 249oC
Tan hoàn toàn trong nước
Không tan trong cồn, eter và một số dung môi
�3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC
VAI TRÒ CỦA ACID GLUTAMICTrong y học và dược học:Ở nồng độ thấp, acid glutamic là chất an thần, thuốc trịnhức đầu, có tác dụng bổ nãoTrong thực phẩm: muối của acid glutamic (glutamate) làchất điều vị lý tưởngMì chính (bột ngọt) được sử dụng tại hầu hết các nướctrên TGSản lượng khoảng 1,6 triệu tấn/năm.Các dạng sản phẩm: chất điều vị 621, hạt nêm, bột ngọtcánh to, bột ngọt xay nhỏHình thức sử dụng: thực phẩm chế biến đã tẩm ướp bột
ngọt, bổ sung trực tiếp vào thực phẩm
�3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)
4/20/2011
136
• 1860, Ritthaussen, Đức, đã xđ thànhphần các pr động vật, các a.a trong đócó a glutamic• Woff, Đức, xđ trọng lượng phân tử,cấu trúc và các hằng số vật lý của cáca.a• 1889, Kikunae Ikeda (Nhật) tách a.glutamic và điều chế natri glutamatetừ rong biển• 21/4/1909, ông đăng ký patent số9440 tại Anh: “sx chất tạo vị”• 1920, người Trung Quốc cũng tìmđược công nghệ để sx glutamate
�3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)
Mì chính tự nhiên Mg/100g Mì chính tự nhiên Mg/100g
Tảo 2240 Bắp cải 100
Formate 1206 Nấm 67
Chè xanh 668 Đậu tương 66
Mực 146 Khoai lang 60
Cà chua 140 Tôm 43
Sò 132 Hến 41
Ngô 130 Cà rốt 33
Khoai tây 102 Sữa mẹ 22
Táo 102 Sữa bò 2
�3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)
4/20/2011
137
•Bột ngọt - chất điều vị E621.
•Bột ngọt có vị Umami - là một trong 5 vị chính màcon người vẫn cảm nhận trong bữa ăn hằng ngàycùng với chua, ngọt, mặn, đắng.
•"Điều vị“: được phép sử dụng trong thực phẩmgiúp điều hòa, làm tăng vị ngon của món ăn, khôngcung 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 hơnnhiều so với 621.
�3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)
•1970s, JECFA - Ủy ban hỗn hợp về Phụ giathực phẩm của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) vàTổ chức Lương nông (FAO) đánh giá tính antoàn của mì chính và đưa ra quy định về lượngsử dụng hằng ngày: 0-120mg/kg thể trọng•1987, Hội nghị lần thứ 31 của JECFA đánh giálại độ an toàn của mì chính và đưa ra kết luận“liều dùng không xác định”
Ăn bột ngọt có
hại không?
�3.3.2.1. GIỚI THIỆU VỀ GLUTAMIC (tt)
Trẻ em ăn bột ngọt có
hại không?
Rào cản ngăn Glutamate xâm nhập vào não trẻ:•Rào cản ở ruột•Rào cản ở nhau thai•Rào cản ở nãoTrẻ em tiêu hóa mì chính giống người lớn nênkhông tìm thấy mối nguy hại nào đối với trẻ em
4/20/2011
138
•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
3.3.2.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT GLUTAMIC
3.3.2.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT GLUTAMIC (tt)
4/20/2011
139
MT 1
Mật rỉ: 20%; Urea: 2%; K2HPO4: 0,05%; MgSO4.7H2O: 0,03%; CaCO3: 1%; pH: 6,8 – 7,8
MT2Saccharose: 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
3.3.2.2. CƠ CHẤT ĐỂ SẢN XUẤT GLUTAMIC (tt)
•Brevibacterium
•Micrococcus
•Arthrobacter
•Brevibacterium flavum
•Corynebacterium glutamicum
Giống tự nhiên: năng suất 0,2g/L
Giống chuyển gen: năng suất 135 g/L (năm 1960)Ajinomoto: sử dụng giống siêu tổng hợp: 170 – 180 g/L
Corynebacterium glutamicum
3.3.2.3. VSV LÊN MEN GLUTAMIC
4/20/2011
140
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
3.3.2.4.1. PP HÓA HỌC
4/20/2011
141
1957, Nhật sx glutamictheo quy mô công nghiệpbằng pp lên men
3.3.2.4.2. PP SINH HỌC: (lên men)PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
Lên men tĩnhLên 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 - 8Sục khí: 40 – 85mg O2/L.min. nếu không sục khí thì sản phẩm tạo ra lactate.Thời gian: 40 – 60gSản phẩm: 100 – 150 g/L
Sx glutamic và bột ngọt bằng pp lên men từ nguyên liệu tinh bột
Men giống là Corynebacterium glutamicum
3.3.2.4.2. PP SINH HỌC (tt)
4/20/2011
142
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
4/20/2011
143
3.3.2.4.2. PP SINH HỌC (tt)
4/20/2011
144
3.3.2.4.2. PP SINH HỌC (tt)
3.3.2.4.2. PP SINH HỌC (tt)
4/20/2011
145
pHop = 6,8 – 8
Điều chỉnh pH bằngNH4+ (ure, nướcNH3, khí NH3,NH4Cl…)
Cung cấp oxy: (hiếu khí bắt buộc)
•Thiếu oxy: sản phẩm chủ yếu làacid lactic
•Thừa oxy: sản phẩm chủ yếu làacid alpha xetoglutavic
PP cung cấp oxy
Sục không khí vô trùng kết hợpvới khuấy trộn (150 vòng/phút)
Toop: 26 – 37oC
Thực tế:
Giai đoạn đầu: 30-32oC
Giai đoạn sau: 36-37oC
�3.3.2.5.YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG PP LÊN MEN
Sử dụng chất phá bọt trong quá trình lên men
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, giúpglutamic 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 vàacid lactic
•Khắc phục: bổ sung 0,15% Tween 60, penicillin 5UI/mL,để kìm hãm sự phát triển của VK trong mt giàu biotin đồngthời tăng khả năng tổng hợp acid glutamic
�3.3.2.5.YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRONG PP LÊN MEN (tt)
4/20/2011
146
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
3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC
PP tạo hydrochloxit của acid glutamic
Dịch MT sau lên men
Cô đặc ở 50 – 60oC
Tẩy màu
Kết tinh glutamic
HClpH 3.2
To 15oC
PP dễ thực hiện
Hiệu suất thu nhận glutamic đạt 60%
3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC (tt)
4/20/2011
147
PP trao đổi ion
Dịch MT sau lên men
Cột trao đổi cation (giữ lại tạp chất)
Rửa cột anion
Dung dịch đệm
Thiết bị đắt tiền
Hiệu suất thu nhận glutamic cao
Cột trao đổi anion (giữ lại glutamic)
3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC (tt)
Tinh thể glutamic
Tẩy màu
Nước
Trung hòa HCl
Khử Fe2+, Ca2+ Tẩy màu
Cô đặc đến 30,2 – 30,5 Be
Na2CO3/ NaOH
Na2S + C2H2O4
Than hoạt tính
60oC
65oC
Kết tinh
Mầm
Ly tâm
Mì chính non (ướt)
pH 6,8
3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC (tt)
4/20/2011
148
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
3.3.2.6. THU NHẬN VÀ TINH SẠCH GLUTAMIC (tt)
SẢN XUẤT BỘT NGỌT TẠI VN
Canh trường sau lên men + NaOH
Glutamate Natri
Tinh sạch
4/20/2011
149
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
�Giống VSV
�Chọn phương pháp thích hợp cho quá trình nuôi cấy
�Nguyên liệu cho sản xuất
�Thiết bị và phương pháp thu nhận, tinh sạch phù hợp
3.4.1. Điều kiện cơ bản trong kỹ thuật sx sinh khối VSV
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
150
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
www.gbd.edu.vn
3.4.2. SẢN XUẤT SINH KHỐI NẤM MEN
�Mật rỉ (rỉ đường)
�Nước: đạt tiêu chuẩn nước cấp thành phố
�Nguyên liệu chứa nitơ: ure, D.A.P
�Nguyên liệu chứa photpho: P2O5
3.4.2.1. Nguyên liệu để sx sinh khối nấm men
4/20/2011
151
MẬT RỈ
MÀU SẬM HỆ KEOSACCHAROSE BIOTIN
Kích thíchsự sinhtrưởng củanấm men
38 – 42%,Cơ chấtphát triểnsinh khối
Cản trởsự hòa tancủa oxy
Ảnh hưởngtới qt sinhsản của men
Ngăn cảnquá trìnhxâm nhậpoxy
3.4.2.1. Nguyên liệu để sx sinh khối nấm men – MẬT RỈ
XỬ LÝ MÀU VÀ HỆ KEO TRONG MẬT RỈ
PP NÓNG PP LẠNHMật rỉ 80oBx+ H2SO4 đđ
(1 tấn mật rỉ : 3,5 kg H2SO4 đđ)
Khuấy liên tục ở 85oC/6h Khuấy liên tục ở 28 – 32oC /24h
Ly tâm hoặc để lắng
Dịch trong
Pha chế môi trường nuôi men
Bã2 – 4% đường;
0,15 – 0,25% urea; 0,25 – 0,35% D.A.P
4/20/2011
152
Mật rỉ đường
Xử lý màu và hệ keo
Tạo môi trường nuôi cấy
Lên men
Thu sinh khối
3.4.2.2. Công nghệ sản xuất sinh khối nấm men
H2SO4
Urea, D.A.P
Thổi khí
Sac. cerevisiae
Nhân giống
Ly tâm, Rửa nước
Sấy
Thu nhận sp trong TB
TP cho người
3- 5%
28 – 32oC 16 – 22h
Men kem
Men paste
Men khô
Diagrammatic Representation of Commercial Production of Single Cell from Hydrocarbons
4/20/2011
153
CÁC THÔNG SỐ TRONG THIẾT BỊ LÊN MEN
�Fermenter có dạng thùng: H = 2 Ф
�Fermenter cần có cánh khuấy và hệ thống cung cấp khí.
�Tốc độ khuấy: 50 – 300 vòng/phút
�Kích thước lỗ thông khí = 10 lần kích thước tế bào
�Ở đầu không khí vào phải gắn màng lọc khí. Ở đầu khôngkhí ra phải cho khí qua dung dịch KI 10% rồi lọc bằng bôngthủy tinh để tránh khí ra có hơi dầu diezen khi chạy bằngmáy nén.
�Tỷ lệ Khối lượng không khí: Khối lượng dung dịch: Thờigian = 1:1:1 (m3 oxy: m3 thể tích: 1 phút)
4/20/2011
154
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 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
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
Chỉ tiêu Sinh khối nấm men làm thức ăn gia súc
Sinh khối nấm men làm men bánh mì
Quy trình công nghệ Giống nhau
Mức độ vệ sinh Yêu cầu cao Không yêu cầu cao
Thời điểm thu nhận sinh khối
Đầu phase cân bằng Cuối phase cân bằng
3.4.2.3. Các sản phẩm sinh khối từ nấm men THỨC ĂN GIA SÚC
4/20/2011
155
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
Protein
Protein đa bào Protein đơn bào
Protein ĐV Protein TV Protein có nguồn gốc từ VSV
- Casein - Globulin - Nấm men
- Spirulina
Thuật ngữ SCP được dùng lần đầu tiên để nói về các dạng Pr thu nhận từ nấm men (cơ thể VSV đơn bào)
SCP
3.4.3.1. Thuật ngữ SCP
4/20/2011
156
Nhu cầu Protein: 70 – 100g Pr/ người/ngày
�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
3.4.3.2. Lý do sx SCP
�Sản xuất Pr từ nấmmen: Sac. cerevisiae,Candidas utilis, Tropicalisutilis
�Sản xuất Pr từ tảo:Chlorella, Spirulinaplatensis, Slenedemus
�Quy mô sx: quy mô lớn,có lợi ích kinh tế cao
www.gbd.edu.vn
ƯU ĐIỂM CỦA SCP
�Hàm lượng Pr: SCP cao hơnPr ĐV và Pr TV
�Chất lượng Pr: SCP tươngđương Pr ĐV, cao hơn Pr TV
�VSV dùng nguyên liệu rẻtiền
�Sx SCP không phụ thuộc vàokhí hậu, điều kiện địa lý
�Có thể sản xuất theo quy môcông nghiệp
NHƯỢC ĐIỂM SCP
�Không phù hợp với 1số tính chất thựcphẩm: màu, mùi, cơ lý
�Có một số tế bàoVSV cơ thể ngườikhông thể hấp thu
3.4.3.2. Lý do sx SCP (tt)
4/20/2011
157
whey, sulphate waste liquors, hydrocarbon waste from the petpetroleum industry, and the vats used to produce alcoholicbeverages. The production process involves growth of theorganisms in large fermenting tanks with forced aeration forvigorous cell-growth. Manufacture process used by BritishPetroleum Industry for single-cell protein from hydrocarbonsis represented in Fig. 17.7. :
3.4.3.3. Nguyên liệu sx SCP
VSV Nguyên liệu
VK Hygrogenomonas, Cellulomonas, Pseudomonas
Hydrocarbon wastes from petroleum industry.
Nấm men
Candida spp., Saccharomyces fragilis, Torula sp., Rhodotorula spp
Whey, ethyl alcohol, starches, n-paraffins, sulphite waste, etc.
Nấm mốc
Aspergillus terreus, Trichoderma reesei, Penicillium spp.
Paper-pulp, starches, coffee wastes, straw, bassage, etc.
Tảo Scenedesmus acutues, Scenedesmus acutues, Spirulina, Chlorella
culture ponds
Cơ chất VSV
Metan Methylomonas methanicaMethylococens capsulatus
Hydocacbua (dầu từ mỏ)
Pseudomonas, CorynebacteriumMycobacteriumBrevibacterium
•Các giống thường được sử dụng đều có khả năng đồng hóa các alkan (C6 – C18)
•Phải tinh sạch và chế biến để làm thức ăn cho người
Nuôi Mycobacterium trên 1kg metan thu được 1kg sinh khốicó hàm lượng Pr 60 – 70%; Gl 20 – 40%; L 2 – 4%; khoáng2-6%, các vitamin, đặc biệt là B12
3.4.3.4. SCP từ vi khuẩn
4/20/2011
158
3.4.3.5.1. Đặc điểm SCP từ men•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
Candidas utilis
Trong chiến tranh thế giới 2, Đứcsx Candidas utilis như 1 nguồnthực phẩm thay thế cho Pr.SCP từ Can. utilis được FDA chophép sử dụng. Đức bổ sung trongthực phẩm, nhiều nước trên thế giớisử dụng nó trong CBTP
3.4.3.5.2. PP thu nhận các sản phẩm trong tế bào nấm men để làm thực phẩm cho người
�PP hóa học �PP vật lý �PP sinh học �PP kết hợp
PP HÓA HỌC
Thủy phân bằng acid hoặc kiềm
•Phá hủy a.a trong tế bào, giảmgiá trị dinh dưỡng
•Sản phẩm thu được khi sử dụngkiềm: 50% a.a dạng L + 50% a.adạng D (cơ thể người không hấpthu được)
•Thiết bị phải chịu được acid vàkiềm
•Độc hại
PP VẬT LÝ
•Sock nhiệt: Đông lạnh sinhkhối VSV ở-20oC ÷ -40oC/2-4hrồi đưa ngay về 40 – 45oC. Làmsock nhiệt 3 lần liên tiếp sẽ phávỡ được 100% tế bào
•Sử dụng năng lượng: lò viba,hồng ngoại, tử ngoại
•Nghiền: ít sử dụng khi sản xuấtlớn
4/20/2011
159
PP SINH HỌC
Thủy phân bằng enzyme ngoại bào và nội bào
• Cơ chế sử dụng enzyme ngoại bào: glucanase hoặc dùng hỗn hợpcellulase để phá vỡ thành tế bào
•Cơ chế sử dụng enzyme nội bào (tự phân): tạo đk cho enzyme có sẵntrong 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
3.4.3.5.2. PP thu nhận các sản phẩm trong tế bào nấm men để làm thực phẩm cho người (tt)
•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
•Dễ tách sinh khối, hương vị đặc biệt
3.4.3.6. SCP từ nấm mốc
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
160
•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…
•SPC từ nấm lớn sx nhiều ở: Úc 3000 tấn/năm, Đài Loan, Indonexia…
3.4.3.7. SCP từ nấm có quả thể
Mor
. esc
ulat
a
4/20/2011
161
Các hình ảnh trồng nấm tại Bắc Kinh -TQ
4/20/2011
162
Các hình ảnh trồng nấm tại Bắc Kinh -TQ
Các hình ảnh trồng nấm tại Bắc Kinh–TQ - Mr Quân
4/20/2011
163
Điều kiện sinh trưởng, phát triển của tảo
•VSV tự dưỡng quang năng
•Cần cung cấp ánh sáng, môitrường nuôi sâu 20 -30cm.
•Tự tổng hợp chất hữu cơ•Tăng sinh khối nhanh. Kíchthước lớn, thuận lợi cho việcthu nhận
•Không bị VSV khác tấncông.
Đặc điểm SPC từ tảo•Hàm lượng Pr cao: 70 – 75%chất khô•Pr tảo là Pr hoàn hảo, chấtlượng cao•Không có độc tố nguy hiểmtồn tại trong sinh khối tảo
3.4.3.8. SCP từ tảo
•1963, Brandily tìm thấy tại hồ Tchad (Châu Phi)
•1968, hội nghị quốc tế (Thụy Điển) bàn về lợi íchvà cách nghiên cứu sản xuất tảo Spirulina làm thứcăn cho người, đặc biệt là trẻ sơ sinh, vận động viên
•1980, công bố rộng rãi các giá trị dinh dưỡng vàchức năng sinh học của Spirulina ở Pháp, Mỹ, Nhật,Canada, Mehico, Đài Loan…
•1985, Spirulina được đưa vào VN.
Tảo Spirulina
4/20/2011
164
Chlorella (tảo đơn bào, lục tiểu cầu)
Sống trong nước ngọt
Tảo Chlorella
Quy trình xản xuất SPC từ tảo Chlorella
4/20/2011
165
Quy trình xản xuất SPC từ tảo Spirulina
4/20/2011
166
Spirulina được nuôi trong ao sâu 30 cm
1ha bề mặt thu nhận 10 – 15 tấn tảo/năm
Spirulina Chlorella
Thành tế bào Mỏng Dày
Hình thái TB 5µm *2mm, xoắn Tròn
Pr (%) 60 - 73 40 -50
Glucid (%) 4,7 - 6 25 – 35
Lipid (%) 7 - 8 10 -15
Tro (%) 4 - 5 10 -34
Khoáng (Ca, P, Fe, Na, Cl, Mg, Mn, K,
6 4-5
Vitamin (B3, B12, B6, B1, E, β caroten, acid folic…)
Nhiều ít
Các acid amin thiết yếu Nhiều Ít hơn
Net protein utilization - N.P.U 80-85% Thấp hơn
4/20/2011
167
Spirulina Chlorella
Đặc điểm nuôi cấy Nổi trên bề mặt Không khuấy sẽ chìm
pH pHop = 8,5 – 9 pHop = 5,5 – 7
To Toop = 35 To
op = 35Ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối
ít bị chi phối Bị chi phối
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 sửdụng Spirulina làm nước chấm, nấu cháo, chế biếnthức ăn.
•Bổ sung Pr cho người và gia súc, thực phẩm chứcnăng
•Xử lý môi trường
•Các nước sản xuất tảo theo quy mô công nghiệp:
Mỹ, Mehico, Đài Loan, Nga, Tiệp, Đức, Bungari, Nhật, Myanma, Thái Lan, Ấn Độ, TQ….
4/20/2011
168
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 sửdụng 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), SuốiNghệ (Đồng Nai), Đắc Min (Đắc Lắc).
Công nghệ: nuôi tảo trên các bể nông xi măng sử dụng khíCO2, nguồn CO2 lấy từ các nhà máy bia, cồn, rượu…nénhóa 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 $954,000
4/20/2011
169
Dự án SEVAS nuôi tảo ở Ấn Độ
Ao xi măng nuôi tảo ở Komatipalli, South India Dự án SEVAS
Spirulina Packets: (Powder)100 gms - Rs. 200 ($ 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
4/20/2011
170
Bổ sung sản phẩmtảo Chlorella vàosản phẩm tảoSpirulina đã làmtăng khả năng đàothải kim loại nặngkhỏi cơ thể.
186.000 VND/ hộp150 viên/hộp,70.000đ/hộp; 15 viên/ngày
3.5. Công nghệ sản xuất polysaccharide từ VSV
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
171
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
3.6.4. Cố định enz
www.gbd.edu.vn
4/20/2011
172
Sản phẩm enzyme
Tổ hợp nhiều enz
Có 1 enzvượt trộiso với cácenz khác
•Phát hiện thấy > 2000 enz.• 200 chế phẩm enz được sử dụng nhiều•Các sản phẩm có ứng dụng rõ ràng kèmtheo khuyến cáo về cách sử dụng.•Các chế phẩm phổ biến: chế phẩm enzthủy phân: protease, amylase, pectinase.
3.6.1. Các khái niệm cơ bản
Enzyme: chất xúc tác sinhhọc vì nó có ở tất cả các tếbào sinh vật
Tính chất enzyme- Đặc hiệu- Khả năng xúc tác cao- Chỉ hoạt động ở Top, pHop
Chế phẩm enzyme: spthương mại hay hànghóa, sp có hoạt tính enz
�Enz ngoại bào (exoenzyme): chiếm đa số, vsv tổng hợpenz rồi đẩy ra ngoài tế bào chất
�Enz nội bào (endoenzyme): vsv tổng hợp enz rồi giữlại trong tế bào chất
�Enz bản thể (constitutive enzyme): vsv tổng hợp enz,mà không phụ thuộc vào điều kiện môi trường và điềukiện nuôi cấy
�Enz cảm ứng (inductive enzyme): thường là enz nộibào. Cảm ứng phụ thuộc vào thành phần thức ăn trongmôi trường. Khi môi trường có chất cảm ứng, vsv chỉsinh tổng hợp những gì cần thiết, với hàm lượng đủ chonó sử dụng
3.6.1. Các khái niệm cơ bản (tt)
4/20/2011
173
IU: 1 đơn vị hoạt độ IU là lượng enzyme cần thiết để: xúctác chuyển hóa 1 µmol cơ chất hoặc xúc tác tạo thành 1µmol 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) làlượng enzyme cần để thuỷ phân 5,26 g tinh bột trong mộtgiờ (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
ĐƠN VỊ HOẠT ĐỘ CỦA ENZYME
3.6.1. Các khái niệm cơ bản (tt)
�VSV: các VSV này được xếp loại là VSV an toàn GRAS (generally recognized as safe)
�Thực vật
�Động vật
3.6.2. Nguồn thu nhận chế phẩm enzyme
4/20/2011
174
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
Chủng loại:
Hoạt tính
Giải pháp cải thiện hoạt tính
Thời gian thu nhận
Giá thành
Khả năng phát triển công nghệ
3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme
4/20/2011
175
Enzyme VSV Substrate Use
Amylases Asp.oryzae
Wheatbran
Starch hydrolysis to dextrin and sugarsmainly in alcoholic fermentation, foodpreparations & fabric;in preparing adhesives; in designingtextiles; in clarifying fruit juices;in manufacturing medicines.
Enzyme Microorganism Substrate Use
Pectinase Aspergillus,Penicillium sp.
Wheatbran
In clarification, pressing,filtration and concentrationof fruit juices and wines;in hydrolyzing pectinin the retting of flex for themanufacture of line incoffee-bean fermentation.
3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme (tt)
Enzyme VSV Substrate Use
Invertase Sac.cerevisiae
Sugarbeet In hydrolyzing sucrose to glucoseand levulose;in producing non crystallizationsyrups from sucrose which ispartially hydrolysed by thisenzyme; in candy making;in producing artificial honey.
Enzyme Microorganism Substrate Use
Cellulase Trichodermareesii
Cellulose Digestive add; in cellulosehydrolysis to cellobiose;in cheese making.
Lipase Rhizopus sp. Wheatbran
Digestive add;in hydrolyzing fat intofatty acid and glycerol.
3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme (tt)
4/20/2011
176
Enzyme VSV Substrate Use
Proteases Asp. niger,Bacillus spp.
Wheatbran
In leather processing;ion food processing;in manufacture of liquidglue;in degumminga of silk;in clarification of beer proteinhaze and as an adjunct to soapfor cleaning in laundries;in tenderizing meat;in recovery of silver fromspent film (photography).
Protease được sử dụng nhiều nhất. Protease dùng trong nướctương, nước mắm phải chịu được acid, muối.Protease dùng trong bột giặt phải chịu được kiềm
3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme (tt)
Enzyme Microorganism Substrate Use
Takadiastase Aspergillus spp. Wheatbran
Strach dextrinizationand designing oftextiles;bread supplement;in production ofsyrups;in digestive aid
Rennin Bacillus spp.(via geneticengineering)
Cheese production.
3.6.3.1. Các VSV sử dụng trong sản xuất enzyme (tt)
4/20/2011
177
3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV
How are enzymes manufactured?
3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV (tt)
4/20/2011
178
Lên men
Nguồn enz nội bào Nguồn enz ngoại bào
Loại bỏ tb (Ly tâm/lọc)Thu nhận 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
VSV
Enz lỏng Enz bột
Sấy phun
3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV (tt)
PP LÊN MEN
LÊN MEN BỀ MẶT (VN)(Solid state fermentation)
Ưu: đầu tư ít
Nhược: diện tích lớnCanh trường thu nhận đượclà tổ hợp của nhiều enzyme
LÊN MEN BỀ SÂU (TG)(Submerged fermentation)
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 trộiso với các enzyme khác•Hoạt tính enzyme cao(tính theo hàm lượng cơ chấttrong môi trường hoặc theo gchất khô của canh trường)
3.6.3.2. Quy trình sx enz từ VSV (tt)
Fermenter 5L
4/20/2011
179
Thu nhận sinh khối enz thô
Enz ngoại bào
Enz nội bào
Xử lý dịch lên men
Thu sinh khối
Phá vỡ tế bào
Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb
Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz
Tủa
Thẩm tích
Cô đặc
Siêu lọc
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
Enz ngoại bào: lọc, ly tâm,thu phần lỏng, dịch enz thôlà canh trường lỏng
Enz nội bào: lấy canhtrường , ly tâm, lọc thu sinhkhối, phá vỡ màng tế bào đểtrích ly enzyme. Ly tâm, lọc,dịch lỏng là enzyme thô
CANH TRƯỜNG RẮN (thunhận enz nội bào, áp dụngcho nấm mốc và xạ khuẩn)
Lấy canh trường đem nghiềnđể phá vỡ thành tế bào (nếucanh trường tơi xốp thìkhông cần nghiền), trích lybằng nước muối 0,9%, lọc,lấy phần lỏng.
4/20/2011
180
PP PHÁ VỠ THÀNH TẾ BÀO VSV
VẬT LÝ: nghiền bằng bi thủy tinh Ф 0.2 – 0.3mm, nénáp lực
HÓA HỌC: trộn tb với các chất oxi hóa khử mạnh nhưbenzen, hexan, tạo thành lỗ thủng trên màng tb
Nhược điểm: các dung môi hữu cơ, chất tẩy rửa có thểlàm vô hoạt, biến tính enz
SINH HỌC: tự phân, enz
HÓA SINH
KẾT HỢP
3.6.3.2.2. Phá vỡ tế bào
2. Ly tâm: 30.000 v/p trong 45’Ưu: thích hợp để tách enz khỏi tb, mảnh vỡ tbNhược: chi phí cao
4. LọcLọc sâu: depth filter: giữ tb, mảnh vỡ tb trên bề mặt màng vàở sâu bên trong màngLọc màng: giữ tb, mảnh vỡ tb trên bề mặt màng. Ф 0.2 - 10µmLọc màng rẻ, thao tác đơn giản nhưng p nén, bít lỗ lọc, thủngmàng lọc. Có thể dùng màng nhiều lớp, Ф lỗ lọc giảm dần
3. Tách dịch 2 lớp
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
3.6.3.2.3. Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb
4/20/2011
181
Thứ tự xếp màng trong thiết bị lọc màng (kích thước lỗ màng lọc từ ngoài vào trong 5, 1, 0.45µm)
3.6.3.2.3. Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb (tt)
Dextran
Polymer polyethylence glycol (PEG)
Phase dextran chứa tb, mảnh vỡ
Phase PEG chứa enz
PP tách dịch 2 lớp ít sử dụng trong công nghiệp
3.6.3.2.3. Loại bỏ vách, mảnh vỡ tb (tt)
4/20/2011
182
3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enzyme
Tủa
Dung môi hữu cơ(ethanol, propanol,acetone) làm lệch cânbằng tương tác, giảmđộ hòa tan của Pr.Tiến hành ở 4– 10oC.Vdung môi/ Vdd enz= (2.5 – 3)/1
Muối (Na2SO4,(NH4)2SO4, NaCl) +nước làm mất lớp vỏhydrate của Pr. CácPr liên kết với nhau,kết tủa. Tách muối =pp thẩm tích
Polymer: được sử dụng rộngrãi. PEG MW 6000, 12000tỷ lệ 5 -15% w/v. Tiến hànhở 37oC. Cơ chế giống dungmôi hữu cơ
Tủa ở pI: tại pI, Pr có độhòa tan thấp, độ hydratehóa của Pr min làm tăngtương tác giữa các Pr,dẫn đến tạo tủa
Thẩm tích: qt siêu lọc táchcác LMW (thành phần đệm,peptid, muối, etylic, a.a…)ra khỏi dd Pr.
Tiến hành loại muối và lọctrước khi thẩm tích. Liên tụcbổ sung dung môi sạch vàodd Pr để lấy những phân tửcó LMW ra khỏi dịch nhờ qtthẩm thấu. tách những chấttích điện ra khỏi những chấtkhông tích điện và ngược lại
Thẩm tích3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz (tt)
4/20/2011
183
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 Prgắn kết với chất trao đổi ion mang dấu ngược với Pr. Lytâm để tách tủa, giải phóng Pr khỏi chất trao đổi ion, rửachất trao đổi ion để tái sử dụng
Chất trao đổi ion (chất mang) Kiểu trao đổi ion
Diethyaminoethyl (DEAE) Trao đổi anion
Quaternary ammonium (Q) Trao đổi anion
Quaternary aminonium (QAE) Trao đổi anion
Carboxymethyl (CM) Trao đổi cation
Methyl sulphonate (S) Trao đổi cation
Sulphopropyl (SP) Trao đổi cation
3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz (tt)
4/20/2011
184
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 táchPr có MW từ 1 – 300kDa.
Vật liệu màng siêu lọc: chế tạo từmàng cellulose acetate hoặccellulose nitrate, polyvinyl,polycarbonate.
3.6.3.2.4. Cô đặc và bước đầu tinh sạch enz (tt)
Kỹ thuật sắc ký dựa trên tương tác của Pr với chấtmang để phân tách
Sắc ký lọc gel (gel filtration)
Sắc ký trao đổi ion (ion exchange chromatography)
Sắc ký ái lực (affined chromatography)
Điện di (electrophoresis)
Tinh sạch enzyme = kỹ thuật sắc ký
3.6.3.2.5. Tinh sạch enz
4/20/2011
185
Kỹ thuật sắc ký Bản chất
Sắc ký trao đổi ion Khác biệt về điện tích trên mặt Pr ở giá trị pH quy định
Sắc ký lọc gel Khác biệt về hình dạng và MW của phân tử
Sắc ký ái lực Dựa vào tương tác đặc hiệu giữa Pr và ligand tương thích
Sắc ký tương tác kỵ nước
Khác biệt về tính kỵ nước trên bề mặt Pr
Sắc ký đẳng điện Tách theo điểm đẳng điện của từng phân tử Pr
Sắc ký trên nền hydroxyapatide
Tương tác tổng hợp giữa Pr và chất mang Ca-phosphate
Nguyên tắc hoạt động của các sắc ký thông dụng
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 sungthêm ammoniumsulfate, sodiumsulfate, sodium chloride để tạo tủahoặc tinh thể enz.
•Để giữ enz ở dạng huyền phù bổsung silicon dioxide
4/20/2011
186
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
•THIẾT BỊ
3.6.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới sx enz từ VSV
3.6.3.4. Đánh giá chất lượng chế phẩm enzĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHẾ PHẨM ENZYMEHoạt tính xúc tác: số đơn vị hoạt độ trong 1g/1mL chế phẩmHoạt 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 gianSố đơn vị hoạt độ tỷ lệ thuận với hoạt tính enz và độ tinh sạch của enzĐộ 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.
PP Các thông số cố định Theo dõi
1 Thời gianNồng độ enz
Biến thiên của S hay P
2 Lượng S mất đi (hay lượng P tạo thành)Nồng độ E
Thời gian
3 Thời gianLượng S mất đi (hay lượng P tạo thành)
Nồng độ E
4/20/2011
187
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
Ưu điểm
• Tái sử dụng nhiều lần (60 – 70 lần) màhoạt tính enz giảm không đáng kể
• Không lẫn enz trong sản phẩm
• Có thể gắn đồng thời nhiều enz lên chấtmang để thực hiện chuỗi phản ứng. Từ đócó thể xây dựng mô hình hệ đa enz trong tếbào để nghiên cứu
• Có thể cơ giới hóa, tự động hóa
• Có thể hồi lưu để lặp lại phản ứng nếu sảnphẩm chưa đạt yêu cầu
Khái niệm:gắn enz lên1 chất mangtrơ hóa học,tạo enzkhông tantrong nước
3.6.4.1. Giới thiệu chung về cố định enz
4/20/2011
188
3.6.4.2. Chất mang để gắn enzyme
Chất mang hữu cơ Chất mang vô cơ
Tổng hợp hóa học: bền vớitác động MT và VSV
Polymer: poly-acrylamid,poly-styren, poly-acetate
Tự nhiên: không bền với tác độngMT và VSV
Dẫn xuất cellulose (sợi bông, dămbào, lõi ngô), dẫn xuất chitin,chitosan, collagen, tinh bột,alginate, oligosaccharide (dextran)
bền với tác độngMT, khó gắn
Các oxit kim loại(Al, Mg, Ti), caolanh, than hoạttính, sợi bôngthủy tinh
Yêu cầu của chất mang để gắn enzyme
•Gắn chặt với enz, không được tách ra khỏi enztrong khi phản ứng
•Dễ tìm, giá rẻ
•Không làm thay đổi hoạt tính của enz
•Bền trong môi trường
3.6.4.2. Chất mang để gắn enzyme (tt)
4/20/2011
189
4/20/2011
190
3.6.4.3. Phương pháp cố định enzyme
PP vật lý
(liên kết vật lý) sự hấpphụ, tạo khuôn gel, baobọc màng bán thấm
PP hóa học
(liên kết đồnghóa trị giữa enzvà chất mang)
•PP hấp phụ: trộn chất hấpphụ với enz. Enz hấp phụtrên bề mặt chất mang nhờliên kết (ion, kỵ nước, tĩnhđiện, Vander –Walls)
•Ưu: đơn giản, sử dụngnhiều chất mang khác nhau)•Nhược: không bền, nếuthay đổi pH, To đột ngột sẽgiải hấp phụ (tách enz ra)
•PP vi túi (micro capsul):gắn và nhốt enz trongmàng bán thấm. Có thểnhốt đa hệ enz trong vi túi.
• Ứng dụng: vi túi ureasechữa bệnh thận, catalasechữa co cơ. Gắn vi túi enzvào các cơ quan khôngtổng hợp được enz, vi túikhông đi theo máu.
3.6.4.3. Phương pháp cố định enz (tt) - PP vật lý
4/20/2011
191
Gắn chất mang qua chất hoạt hóa trung gian (2 giai đoạn).
PP sử dụng phổ biến. Thường sử dụng với chất mang vô cơnhư sợi thủy tinh, sợi silicate
GĐ1: hoạt hóa chất mang
GĐ2: Gắn chất mang đã hoạt hóa với enz
Chất mang Chất hoạt hóa Chất mang Chất hoạt hóa
Chất mang Chất hoạt hóa Enz
+
+
Chất mang Chất hoạt hóa Enz
3.6.4.3. Phương pháp cố định enz (tt) - PP hóa học
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
Lớp enzyme cố định có chiều cao đáng kể, dày
4/20/2011
192
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.
3.6.4.4. Các dạng bình phản ứng và enzyme cố định (tt)
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
•Enzyme pectinase cố định
4/20/2011
193
Tinh bột
Dextrin MW nhỏ
Glucose
Fructose
Tinh sạch
Dung dịch giàu fructose
α amilase
α amilaseGA
Glucoseisomerase
Chất mang: silicrom (dẫn xuất cellulose)
Chất hoạt hóa: glutaraldehyte
Glucoseisomerase được tách từ xạ khuẩn Actinomyces
3.6.4.5. Ứng dụng của enz cố định (tt)
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
•Lựợng enz có thể tăng lên khi tế bào sống
3.6.4.6. Cố định enz và cố định tế bào VSV
4/20/2011
194
Enzyme cố định Tế bào VSV 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 VSVThiết bị có thể tương tự nhau
Chất mang gắn trực tiếpvới enz hoặc gắn lên chấthoạt hóa)
Chất mang không gắn trực tiếpvới enz mà gắn với màng tế bàoVSV. Enz ở trạng thái tự do, cóthể dịch chuyển trong tế bào
Không cần cung cấpdinh dưỡng để nuôi enz
Cần cung cấp dinh dưỡng đểnuôi tế bào
3.6.4.6. Cố định enz và cố định tế bào VSV (tt)
ứng dụng của cố định tế bào VSV trong sx giấm ăn
4/20/2011
195
3.7. Công nghệ sx các sp lên men truyền thống
www.gbd.edu.vn
Hầm ủ rượu tại Dynasty