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, VietNamvtcc@vnu.edu.vn; 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