Đề tài Công nghệ lên men Lysine

Xin gửi lời tri ân chân thành tới thầy Lê Văn Việt Mẫn , đã truyền đạt những bài học, phương pháp học tập và phương pháp suy luận quý báu. Nhờ sự hướng dẫn của thầy nhĩm chúng em đã hồn thành bài tiểu luận. Song trong quá trình dịch thuật, trình bày, khĩ tránh khỏi những thiếu sĩt, rất mong thầy thơng cảm. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn thầy Các thành viên MỤC LỤC Trang Mở đầu……………………………………………………………………. 2 1. Giới thiệu chung về lysine…………………………………… 2 2. Phương pháp sản xuất lysine……………………………….. 4 3. Tình hình sản xuất…………………………………………….. 4 Nguyên liệu………………………………………………………………. 5 Cơ chất ……………………………………………………… 5 Nguyên liệu dùng trong cơng nghiệp………………………. 6 Nguyên liệu vi sinh vật……………………………………….8 Quy trình cơng nghệ………………………………………………………..10 Chuẩn bị mơi trường………………… …………………….11 Lên men……………………… ……………………………….12 Lọc bằng máy siêu lọc…………………………… …………. 17 Trao đổi ion……………………………………………… …20 Cơ đặc chân khơng……………………………………………24 Sấy phun………………………………………………………27 Rây phân loại………………………………………………… 32 Đĩng bao bì……………………………………………………32 Sản phẩm…………………………………………..………………………..34 Mơ tả sản phẩm…………………………………………………………34 Chất lượng sản phẩm…………………………………………………...37 Thành tựu và hướng phát triển……………...…………………………….38 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….44 I . Mở đầu : Giới thiệu chung về Lysine: Cấu tạo: - Tên hĩa học của Lysine là 2.6 diaminocaproic acid hoặc α, ε C6H14O2N2 cĩ cấu hình L và D. Loại sản xuất vi sinh là loại cấu hình L. - Cơng thức phân tử : C6H11N2O2 - Cơng thức cấu tạo: NH2 - ( CH2)4 –CH(NH2)- COOH Lysine mang điện tích dương Điểm đẳng điện ở PH = 9.59 Khối lượng phân tử : 146.19 - Lysine cĩ thể tan trong nước và khơng bị kết tụ trong 1 thời gian dài nên người ta cĩ thể làm ra sản phẩm dạng lỏng . b.Ứng dụng của Lysine: Trong thực phẩm hằng ngày: Trong những 20 acid amine đươc tìm thấy thì Lysine là một trong 9 acidamine khơng thay thế ( histidine, isoleucine, lysine , methionine , leucine, phenylamine , threonine , triptophan và valine ) rất cần thiết cho bữa ăn hằng ngày Bảng 1 : Lượng axit amin cần thiết trong thức ăn (Số mg axít amin trong 1g N trong protein, số trong dấu ngoặc là lấy sữa bằng 100 để so sánh) Tên Isoleucine Leucine Valine Phenylalanine Methionine Threonine Tryptophan Lysine  Sữa người 320(100)  620(100) 370(100) 580(100) 220(100)  270(100) 100(100) 420(100)  Sữa   bị 320(100) 590(97) 410(111) 630(109) 200(91) 270(100) 92(92) 480(114)  Trứng 330(103) 530(87) 410(111) 660(114) 380(173) 290(107) 100(100) 440(105)  Thịt  bị 300(94) 550(90) 340(92) 600(103) 215(98) 280(104) 81(81) 570(136)  Gạo 280(88) 520(85) 370(100) 670(116) 270(123) 220(81) 80(80) 210(50)  Ngơ 240(75) 780(128) 340(92) 650(112) 260(118) 240(89) 240(89) 47(47)  Bột   mì   260(81) 440(72) 270(73) 480(83) 210(95) 170(63) 69(69) 150(36) Người bình thường mỗi ngày cần 1 g lysine. Tuy nhiên, cơ thể khơng tự tổng hợp được chất này mà phải được cung cấp qua thực phẩm (như lịng đỏ trứng, cá, thịt, các loại đậu và sữa tươi) hoặc bổ sung dưới dạng thuốc. Lysine làm tăng khả năng hấp thụ các acid amine khác của cơ thể Lysine giúp tăng cường hấp thụ và duy trì canxi , ngăn cản sự bài tiết khống chất nay ra ngồi cơ thể . Vì vậy , lysine cĩ tác dụng tăng trưởng chiều cao và ngăn ngừa bệnh lỗng xương. Lysine là thành phần của nhiều loại protein, là yếu tố quan trọng trong việc duy trì hệ miễn dịch, phát triển men tiêu hĩa, kích thích ăn ngon. Nĩ cũng ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh mụn rộp nên thường được bác sĩ kê đơn cho người bị rộp mơi hay mụn rộp sinh dục. Theo nhà khoa học Linus Pauling, người từng nhận hai giải Nobel y học, lysine cịn cĩ tác dụng ngăn ngừa, chữa trị bệnh tim và đột quỵ. Trong cơng nghệ thực phẩm: Lysine làm cải thiện chất lượng thực phẩm bởi làm cân đối các acid amine trong thực phẩm. Lysine sử dụng như là chất tăng cường dinh dưỡng vì cĩ thể nâng cao hệ số sử dụng Protein. Sử dụng làm chất phụ gia . Sử dụng làm dịch truyền amin. Trong cơng nghệ hĩa học: Ứng dụng làm chất hoạt động bề mặt , làm mỹ phẩm… Trong Y học, dược học: Dùng làm thành phần hịa tan trong thuốc chứa bệnh , hồi sức… Các phương pháp sản xuất Lysine: Thủy phân Protein: Cơ chất là bột mì, bột đậu nành, Protein từ máu, keratin… Đây là phương pháp cổ điển, hiệu suất rất thấp, khĩ thực hiện, và khĩ điều khiển các thơng số . Vấn đề tinh sạch rất khĩ khăn nên dạng sản phẩm tạo ra sẽ nằm dưới dạng tổ hợp và ứng dụng làm thức ăn cho gia súc, gia cầm. Sản xuất lysine theo phương pháp này thì giá thành sản phẩm sẽ cao . Tổng hợp hĩa học: ưu điểm là sản xuất ổn định, cĩ thể chuẩn hĩa điều kiện sản xuất và hiệu suất. Nhược điểm là tạo ra các đồng phân dạng D mà cơ thể khơng thể sử dụng được nên vấn đề tách ra khĩ khăn. Ứng dụng trong cơng nghệ hĩa học hay là làm thức ăn cho 1 số lồi gia cầm. Chuyển hĩa sinh học: Dùng những sinh khối của vi sinh vật để chuyển hĩa 1 cơ chất thành sản phẩm thơng qua 1 hay 2 phản ứng . Vấn đề tinh sạch và điều khiển thơng số khĩ hơn phương pháp lên men, Khĩ thực hiện vì phản ứng cĩ thể là nội bào hay ngoại bào nên khơng cĩ cơ chế điều hịa của vi sinh vật. Cơ chất tham gia phải cĩ cấu tạo tương tự như sản phẩm. Nên phạm vi ứng dụng bị hạn chế . Để khắc phục người ta kết hợp với phương pháp hĩa học: tổng hợp ra các tiền thân của các acid amine sau đĩ dùng vi sinh vật để chuyển thành L- lysine. Phương pháp lên men: Nuơi cấy vi sinh vật trên mơi trường thức ăn để lấy acid amine Đây là phương pháp thơng dụng nhất, sản lượng và sản phẩm tạo ra cĩ chất lượng cao hơn, giá thành sản phẩm rẻ hơn . Tận dụng được những nguồn cơ chất rẻ tiền , đơn giản . Phương pháp tiến hành và điều khiển thơng số dễ dàng. Tình hình sản xuất: - Tổng sản lượng lysine thế giới năm 2006 là 1.101.000 tấn.- Trong đĩ, sản lượng lysine do Trung Quốc sản xuất là 283.600 tấn - Tổng tiêu thụ lysine tồn cầu là 960.000 tấn - Dạng sản phẩm trên thị trường : + L – lysine mono hydrocloride + L – lysine sulphate Ở Việt Nam cơng ty VEDAN -Dây chuyền sản xuất Lysine: do Đức, Nhật, Đài Loan cung cấp. Chỉ sản xuất L- Lysine HCl với sản lượng là 18.000 tấn ( trong năm 2006 ) Sản xuất 15.000 tấn ( trong năm 1999 ) Bảng 2 : Sản lượng lysine sản xuất được trong năm 2006 Nhà SX Nước SX L-Lysine HCL(98%) L-Lysine sulphate (65%) ADM Hoa Kỳ 174.000 Agro&Ferm Đan Mạch 12.000 Ajinomoto Brazil , Pháp, Thái lan, Hoa Kỳ 170.400 Anhui BBCA Trung quốc 18.000 BASF Hàn Quốc 61.200 Cheil Jedang Indonesia 122.400 30.000 Chuanhua Powder Trung Quốc 22.800 Daquan Lysine Trung Quốc 7.800 Degussa Hoa kỳ, Slovakia 75.000 Gansu Ronghua Trung Quốc 2.400 Global Bio-chem Trung Quốc 110.000 220.000 Golden Corn Trung Quốc 15.600 Maidan Trung quốc 7.800 Ningxia Yiping Eppens Trung quốc 12.000 SA Bioproducts Nam Phi 9.600 Starlake Trung Quốc Vedan Việt nam 18.000 Xiwang sugar Trung Quốc 12.000 Tổng cộng 764.000 337.000 Theo Feedtech II. Nguyên liệu : Cơ chất: Nguồn Cacbon: Các hydrohydrate sử dụng sản xuất ra lysine là glucose , fructose, sucrose, maltose, lactose, dich thủy phân tinh bột , cellulose, mật rỉ … Các acid hữu cơ như là acid acetic ,propionic, benzoic ,fomic , malic ,citric , fumaric … Các rượu như là ethanol, propanol , inositol , glycerol Các loại dầu : dầu đậu nành, dầu hướng dương, dầu đậu phụng, dầu dừa, acid béo khác : palmitic, stearic ,linoleic Loại vi khuẩn nocardia dùng lên men các olefin và các ethyl alcohol, n – alkane chứa từ 10 – 30 nguyên tử cacbon , các loại dầu lửa , dầu thơ Nguồn nitơ: Các nguồn nitơ vơ cơ: anoniac lỏng hay khí, amoni sulfate, amoni nitrate, amoni phosphate, amoni clorua , amoni carbonate… Các nguồn nitơ hữu cơ: amoni acetate, nước chiết nấm men, nước chiết thịt , nước chiết malt, ure, peptone và các amino acid Nguồn khống và các nguyên tố vết: Nguồn muối khống sử dụng nhiêu nhất là KH2PO4 , K2HPO4 , nồng độ thích hợp là 0,008 – 0,02 mg/l muối vơ cơ của các kim loại như là : Mg, Ca, P , K, Na, Fe…. Nguồn Vitamin: Bổ xung các vitamin vì đây là nhân tố cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật . 2 vitamin quan trọng là : vitamin H và vitamin B1 Vitamin H ( biotin) : Ảnh hưởng đến tính thấm của màng tế bào . Khi lượng này cao thì sẽ cho các acid amine cĩ tính kiềm ( như lysine) từ nội bào ra ngồi tế bào. Khi lượng này quá thấp thì sẽ làm cho các acid amine cĩ tính acid ( như là glutamic ) tiết ra ngồi. Lượng vitamin H thích hợp là : 15 - 20µg/ l Vitamin B1: nếu khơng cĩ thì giống sẽ phát triển kém và analine sẽ thay thế cho lysine. Nguồn cung cấp là cao ngơ . Nguồn nguyên liệu dùng trong cơng nghiệp: Trong cơng nghiệp nguồn nguyên liệu được sử dụng là dịch thủy phân tinh bột và mật rĩ đường. Trong bài này ta sẽ khảo sát quá trình sản xuất lysine từ nguyên liệu là mật rĩ. Mật rĩ đường: Rĩ đường là phế liệu chứa đựng nhiều đường không kết tinh trong sản xuất đường từ mía hoặc củ cải đường. Rỉ đường là nguồn nguyên liệu phổ biến, tương đối lớn, giá thành rẻ. Thơng thường tỉ lệ rĩ đường trong sản xuất đường mía chiếm khoảng 3-5% trọng lượng mía Ưu điểm : Giá rẻ Khối lượng lớn , dồi dào Sử dung tiện lợi Nguồn cung cấp khá phổ biến Đặt biệt ở nước ta khơng vi phạm đến chính sách lương thực Bảng 3 : Thành phần các chất trong mật rĩ Thành phần Mật rĩ từ củ cải đường Mật rĩ từ mía Chất khô (% kl mật rĩ) 76 – 84 75 – 83 Sucrose (% kl chất khô) 58 – 64 32 – 45 Raffinose 0 – 4,2 - Glucose - 5 – 11 Fructose - 6 – 15 Đường nghịch đảo 0 – 1,2 - Chất hữu cơ phi đường -Chứa nitơ -Không chứa nitơ 19 5 5 10 Nitơ tổng 1,7 – 2,4 0,4 – 1,5 Tro 8,5 – 17,1 7 – 11 pH 6,2 – 8,4 4,5 – 6,0 Thành phần tro của rĩ đường mía ( % tổng khối lượng tro ) : K2O 30 – 50 ; Na2O 0,3 – 9,0 ; CaO 7 – 15 ; MgO 2 – 14 ; P2O5 0,5 – 2,5 ; SiO2 1 – 7 và các khoáng khác Lượng vitamin ( µg/ 1g rỉ đường ) : Thiamin : 8,3 Biotin : 12,0 Pyridoxine : 6,5 Riboflavin : 2,5 Axit nicotinic : 21,0 Axit folic : 0,038 Axit pantothenic : 21,4 + Lượng biotin và thiamin trong rỉ đường tương đối cao nên rất thích hợp để lên men Lysine Bảo quản : + thiết bị chứa citern. + Trong rĩ đường luôn có mặt vi sinh vật với mật độ rất lớn, thường gặp nhất là những vi sinh vật gây màng và gây chua, dẫn đến làm giảm chất lượng của rĩ đường. Vì vậy trong sản xuất ta hay dùng fluosilicat natri 2 (0/000) so với trọng lượng mật rĩ để bảo quản. Tiêu chuẩn lựa chọn nguyên liệu: Chất khơ >= 75% Hàm lượng saccharose : 50-51% lượng đường. PH = 6.5-8.5 Hàm lượng N-chung khơng ít hơn 1.4% Số lượng vi sinh vật khơng quá 15000 cfu/1g nguyên liệu. Khi sử dụng rỉ đường, cĩ thể dùng những con số sau để tính tốn pha mơi trường(%) Saccharose = 50% Đường khử 6-9% Cần bổ sung thêm : Nguồn N là ure hoặc amoni sulfat. Nguồn P là supephosphat (khoảng 1% so với rỉ đường). Rỉ đường trước khi đem sử dụng cần phải được xử lý: pha lỗng với nước theo tỷ lệ 1:1, acid hĩa bằng H2SO4 tới pH=2.8-3.0 và gia nhiệt trong vài giờ. Nhiệt độ thấp nhất là 75o C. Nguyên liệu Vi sinh vật: a. Các vi sinh vật tổng hợp lysine : Cĩ nhiều lồi vi sinh vật cĩ khả năng tổng hợp được Lysine với lương khác nhau, như: Corynebacterium acetophilum, Micrococcus glutamicum, Brevibacterium flavum, Brevibacterium lactofermentum, Bacillus methanolicus, Ustilago maydis, Torulopsis utilis, Bacillus megaterium, Aerobacter derogences, Escherichia coli, Streptomyces coloniformis, Mycobacterium tuberculosis,, Pseudomonas fluorescens, … Trong sản xuất qui mơ cơng nghiệp, việc chọn lồi vi sinh vật tích lũy được nhiều acid amin là khâu quan trọng nhất. Từ đĩ cần phải tiến hành phân lập giống,tuyển chọn, gây đột biến, chọn điều kiện tối ưu cho quá trình sinh tổng hợp… b. Các vi sinh vật dùng trong cơng nghiệp : Các chủng vi sinh vật thường được sử dụng trong sản xuất Lysine từ rĩ đường theo qui mơ cơng nghiệp là: Micrococcus glutamicum Brevibacterium flavum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium glutamicum Hình 1 : Vi khuẩn Corynebacterium glutamicum Hình 2 : Vi khuẩn Brevibacterium lactofermentum - Đặc điểm chung : - Các loài vi khuẩn trên đều là các vi khuẩn Gram (+), - Trực khuẩn thẳng hoặc cong, đa hình thái, kích thước tế bào từ 0,6 – 1,2 mm, - Không có tiên mao, bất động, không sinh nha bào, không hình thành bào tử. - Hình dạng và kích thước có thay đổi nhiều khi nhuộm màu, tế bào thường tạo thành các đoạn nhỏ bắt màu khác nhau. Các loài thuộc giống Brevibacterium và Corynebacterium glutamicum khởi đầu là loài vi sinh vật tổng hợp axit glutamic, sau đó được gây đột biến thành các chủng dị dưỡng Homoserine, được dùng chủ yếu trong công nghiệp lên men Lysine. Qua khâu đột biến ta thu được những chủng mới có khả năng tổng hợp Lysine cao : Corynebacterium glutamicum FERM-P 1709 Brevibacterium flavum FERM-P 1708 Brevibacterium lactofermentum FERM-P 1712 Brevibacterium flavum FERM-P 6463 Brevibacterium flavum FERM-P 6464 Corynebacterium glutamicum DSM5714 Corynebacterium glutamicum DSM12866 Đặc tính của những chủng sau đột biến: - Cần lượng Biotin cao hơn nhiều so với lượng nguyên thủy. - Chịu được nồng độ đường tới 20% hoặc cao hơn. - Cần một số amin cho sinh trưởng và tổng hợp Lysine (homoserine, threonin, methionine, isoleucine) Chú ý : - Tất cả các chủng vi khuẩn trên đều, sau khi đột biến đều di dưỡng Homoserine, do đĩ cần Homoserin vào mơi trường để phát triển và sinh tổng hợp Lysine. - Khi cho Homoserin vào tế bào vi sinh vật sẽ tạo ra Methionin và Threonine. Mà threonine cùng với lysine có quan hệ ức chế tới enzym b-aspartokinase. - Do đĩ lượng homoserine cho vào phải thích hợp. - Ta cũng cĩ thể cho Threonine và Methionin thay Homoserin vào mơi trường lên men cũng đảm bảo quá trình lên men xảy ra mạnh. III. Quy trình cơng nghệ : Hình 3 : Quy trình sản xuất Lysine từ nguyên liệu mật rĩ Chuẩn bị mơi trường : Chuẩn bị mơi trường : Bản chất : là quá trình kết hợp nhiều tác động vật lý, hĩa học lên nguyên liệu ban đầu, để tạo ra mơi trường thích hợp cho quá trình lên men của vi sinh vật. Mục đích : Chuẩn bị mơi trường cho quá trình lên men. Các biến đổi: Trong pha lỗng : Vật lý : Giảm độ nhớt Hĩa học : Nồng độ chất khơ bị giảm Hĩa lý : Tăng độ hịa tan của các chất Trong quá trình acid hĩa : Hĩa học: Đường saccharose chuyển thành glucose và fructose dưới sự xúc tác của acid; pH giảm về 2.8-3.0 Hĩa lý: Hệ keo bị phá vỡ Vi sinh: Vi sinh vật bị tiêu diệt Trong quá trình thanh trùng bằng nhiệt độ cao: Vật lý : - Xuất hiện gradient nhiệt độ trong dung dịch - Khối lượng dung dịch bị thay đổi - Tỷ trọng dung dịch bị thay đổi - PH thay đổi Hĩa học : Sự thay đổi tốc độ phản ứng hĩa học : thủy phân, oxi hĩa khử, tạo phức, phân hủy…. Hĩa lý : Sự bốc hơi nước Tạo tủa của các cấu tử Sinh học : tiêu diệt vi sinh vật nhiễm Hĩa sinh: Vơ hoạt các enzyme. Trong quá trình ly tâm : Vật lý : - Tăng độ trong, giảm khối lượng của dung dịch - Tỷ trọng bị thay đổi - Hệ số truyền nhiệt của dung dịch tăng Hĩa lý : Thay đổi số pha, tách pha rắn pha lỏng Trong quá trình bổ xung chất dinh dưỡng và điều chỉnh PH: Hĩa học : Thay đổi thành phần các chất trong dung dịch Hĩa lý : PH thay đổi Phương pháp thực hiện: Thiết bị : Các quá trình pha lỗng, acid hĩa dung dịch, bổ xung chất dinh dưỡng cĩ thể tiến hành trong thiết bị nổi phản ứng dạng đứng. Hình 1:Nồi phản ứng dạng đứng: 1- Ống nối để nạp chất tải nhiệt; 2- Ống chảy tràn sản phẩm; 3- Ống quá áp; 4- Đầu nối ống nạp nguyên liệu; 5- Cửa quan sát; 6- Cửa thốt chất tải nhiệt; 7- Cửa vào của chất tải nhiệt; 8- Cửa ra của sản phẩm; 9- Cửa thốt chất tải nhiệt. Quá trình thanh trùng cĩ thể dùng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng. Quá trình ly tâm cĩ thể dùng máy ly tâm lọc . Cách tiến hành : Pha lỗng với nước theo tỉ lệ Vmật rỉ : Vnước = 1 : 1 Sau đĩ cho lượng acid sunfuric đậm đặc vào ( lượng acid : 5% khối lượng dung dịch) . Trong giai đoạn này, ta đun dung dịch đến 90-95oC trong 6 giờ. Sau đĩ ta tiến hành ly tâm thu dịch trong. Tiếp tục thêm nước để đạt được dung dịch cĩ nồng độ đường từ 15-22%. Đây là nồng độ đường thích hợp cho quá trình lên men. Thêm dung dịch NaHCO3 đến khi dung dịch đạt pH = 6.9- 7.0 Một số mơi trường tiêu biểu: Đối với Corynebacterium glutamicum: + Theo lý thuyết mơi trường cĩ thể như sau: Mật rĩ đường 5 – 10% (NH4)2SO4 1,5% MgSO4 0,1% Biotin 7,5 mg/l Threonine 40 mg/l + Trong công nghiệp: Môi trường nuôi cấy gây giống ban đầu tạo sinh khối và môi trường lên men tổng hợp lysine đều có thể sử dụng thành phần : Rĩ đường (tính theo saccharose) 7,5% Nước chiết bắp (theo chất khô) 2% (NH4)2SO4 2% KH2PO4 0,05% K2HPO4 1% CaSO4 (phấn) 1% pH môi trường 6,9 – 7 Chất khử bọt tổng hợp 0,1 Lên men : Bản chất : Nuơi cấy vi sinh vật để thu nhận các sản phẩm trao đổi chất là Lysine. Trong đĩ Lysine là chất trao đổi bậc 1 . Mục đích : Khai thác : Lysine từ nguồn nguyên liệu ban đầu và vi sinh vật. Các biến đổi: Vật lý: - Xuất hiện gradient nhiệt độ trong dung dịch - Khối lượng dung dịch bị thay đổi - Tỷ trọng dung dịch bị thay đổi - PH thay đổi Hĩa sinh: Con đường tổng hợp Lysine. Hình 4 : Con đường tổng hợp lysine của vi khuẩn Corynebacterium glutamicum Để tạo ra lượng lysine nhiều , ta nên ức chế con đường L – aspartate – β seminal dehyde tạo ra methionine và isoleucine Những phương pháp hiệu chỉnh: + Tạo ra những chủng cĩ biệt hĩa sinh hĩa để tạo ra lượng lysine nhiều hơn . Phương pháp là gây đột biến hoặc là tái tổ hợp gen. Sử dụng lồi đột biến trợ dưỡng cần homoserine. Methyonine và threonine sẽ bị tạo ít hơn và đồng thời enzyme partate kinase khơng bị ức chế , lysine tạo ra sẽ nhiều hơn. ( vì lượng threonine nhiêu cũng làm ức chế ngược aspartokinase ) Sử dụng lồi đột biến mẫn cảm với threonine . Và vi sinh vật sẽ khơng tạo ra enzyme homoserine dehydrogenase → lượng threonin tạo ra sẽ rất thấp . Đây là loại thường sử dụng nhất. Sử dụng 1 loại vi khuẩn kháng 1 chất tương đồng của lysine ( như S- aminoethyl cytein cịn gọi là AEC ) . Khi dĩ aspartate kinase sẽ khơng bị ức chế ngược bởi lysine và threonine + Làm thực nghiệm để lựa chọn hàm lượng yếu tố sinh trưởng thích hợp bổ xung vào mơi trường. + Liên tục kiểm tra các thơng số cơng nghệ trong suốt quá trình lên men để lysine tạo ra là tối đa. Vi sinh : - Sự gia tăng số lượng vi sinh vật : - Vi sinh vật tạo sinh khối và chất trao đổi lysine: + Quá trình lên men gồm 2 pha điển hình: Pha tạo thành sinh khối : Sự tạo thành sinh khối phát triển mạnh trong khoảng 12-18 giờ đầu sau khi bắt đầu lên men. Sử dụng hết khoảng 25% nguồn cacbon, gần như tất cả nguồn Nitơ. Pha tạo thành Lysine : Tốc độ tạo sinh khối chậm lại. Lúc này Lysine bắt đầu tích tụ trong dịch lên men với hàm lượng ngày càng tăng dần . Tốc độ tổng hợp trung bình là 0.8 -1 g/lit.giờ. Khi bắt đầu tạo lysine thì lượng thireonin trong mơi trường đã sử dụng gần hết. Hình 5 : Động học của quá trình lên men lysine của chủng cor.glutamicum 95 trên mơi trường mật rĩ 1. Sinh khối; 2.hydrocabon; 3.Nitơ( NH4+) ; 4. Threonine; 5. lysine 6. Tốc độ tạo thành lysine; 7.PH Yếu tố ảnh hưởng : Mẫu sản xuất : + Thành phần mơi trường lên men + Vi sinh vật dùng lên men: Chủng sử dụng, lượng giống cấy , trạng thái sinh lý… Lysine sinh tổng hợp từ những lồi vi khuẩn đột biến sẽ cao hơn nhiều so với những lồi tự nhiên. Phương pháp tiến hành: + Lên men tĩnh + Lên men tĩnh cĩ bổ xung cơ chất + Lên men liên tục Lên men lysine là quá trình nuơi cấy vi khuẩn hiếu khí, nên các vi sinh vật nhiễm sẽ dễ phát triển sinh ra các enzyme khác, làm giảm hoạt lực các enzyme sinh tổng hợp lysine. Mặt khác nếu cơ chất cho vào nhiều lần, thơng số cơng nghệ trong thiết bị lên men sẽ thay đổi, khĩ điều khiển. Hiệu suất tổng hợp lysine sẽ khơng cao → Phương pháp thích hợp nhất là lên men tĩnh và lên men tĩnh cĩ bổ xung cơ chất. Tuy nhiên , nếu kiểm sốt được vi sinh vật nhiễm và các thơng số cơng nghệ thì lên men liên tục sẽ cho năng suất và sản lượng lysine cao hơn Điều kiện lên men: + Tác động của PH : - PH cĩ ảnh hưởng mạnh mẽ đến hoạt động sống của vi sinh vật và khả năng tổng hợp lysine. Những chất ảnh hưởng đến độ PH trong canh trường là : NaOH, KOH, NH4OH , CaCO3, urea , NH3 , H2SO4, H3PO4, và các acid hữu cơ khác + Tác động của nhiệt độ: Nếu nhiệt độ thấp 5-60 C so với nhiệt độ tối ưu thì quá trình lên sẽ lâu . Nếu nhiệt độ cao hơn 5- 60 C so với nhiệt độ tối ưu thì vi khuẩn sẽ phát triển yếu và ngả sang quá trình tự phân. + Tác động của oxy : Oxy ảnh hưởng đến hoạt tính của các enzyme dehydrogenase ( trong chu trình krebs ) và các enzyme trong chu trình glyoxalat. Nếu oxy quá ít : → tạo thành alanine và acid lactic Nếu oxy quá cao: → làm dung dịch cĩ nhiều bọt trong dung dịch ( để làm giảm lượng bọt dùng silicone , polypropylen ,ester các acid béo… ) → đồng thời vi sinh vật tạo ra nhiêu sinh khối hơn. Phương pháp thực hiện: Thiết bị : - Thiết bị nuơi cấy bề sâu Thiết bị gồm những phần chính: + Hệ thống ống nhập liệu và tháo liệu , hệ thống bổ xung chất phá bọt + Cĩ máy lọc và hệ thống ống dẫn khí vào bên trong hay đi ra ngồi + Lớp vỏ áo hiệu chỉnh + Cánh khuấy để tạo ra canh trường đồng nhất + Cĩ những đầu dị cảm biến PH, nhiệt độ , oxy, sinh khối , đường.. + Hệ thống máy tính sử lý tín hiệu Thơng số cơng nghệ : PH tối ưu : phụ thuộc vào loại vi khuẩn sử dụng và thường là 7 -7.6 Nhiệt độ tối ưu : + Phụ thuộc vào loại vi khuẩn sử dụng và thường là 28- 30 0C . Những loại vi khuẩn đột biến thì cĩ thể chịu được nhiệt độ cao hơn : Ví dụ : Vi khuẩn corynebacterium glutamicum - US4275157 : 24- 370C Vi khuẩn corynebacterium glutamicum – US4623623 : 20 – 400C Vi khuẩn corynebacterium thermoaminogenes : 20 – 50 0C. Nhiệt độ tối ưu là 34oC Vi khuẩn Nocardia alkanoglutinousa khoảng nhiệt độ thích hợp là 27- 370C Lượng Oxy thổi vào: + Tối ưu là : 0.8 -1 vvm Thời gian lên men : + Thơng thường là : 68-72 giờ + Trong quá trình lên men ta bổ xung một lượng đường glucose thích hợp thì năng suất sẽ tăng lên và thời gian lên men sẽ giảm xuống . Sản phẩm : trung bình 50-60 g/l Nồng độ chất khơ cịn lại : 0.5- 1% Lọc qua máy siêu lọc: Bản chất : Là quá trình phân riêng hỗn hợp dựa trên cơ sở chênh lệch áp suất 2 bên màng và kích thước tương đối của các phần tử trong dung dịch với màng. Lọc siêu lọc ( ultrafiltration UF ) : Là dùng màng siêu lọc tách được những phần tử cĩ kích thước: 1 – 100nm - Ưu điểm : + Quá trình lọc diễn ra ở nhiệt độ bình thường và áp suất thấp nên tiêu thụ ít điện năng, cắt giảm chi phí hoạt động đáng kể. + Kích thước của hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc đơn giản nên khơng tốn mặt bằng lắp đặt. + Quy trình vận hành đơn giản, khơng cần nhiều nhân cơng. + Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất và sử dụng phương pháp lọc cơ học nên khơng làm biến đổi tính chất hĩa học dung dịch Bảng 4: Các loại màng menbrane thường dùng trong cơng nghiệp Màng Kích thước mao quản Ứng dụng Vi lọc (microfiltration MF) 0.5 – 3µm Loại bỏ vi sinh vật Siêu lọc (ultrafiltration UF) 1 – 100nm Tách các cấu tử cĩ khối lượng phân tử trong khoảng từ 1.000 Da đến trên 100.000 Da (phân tử hữu cơ loại lớn như protein…) Lọc nano (nanofiltration NF) 0.5-10nm Tách các cấu tử cĩ khối lượng phân tử khoảng 100 Da đến 1.000 Da (các muối đa hĩa trị, glucose,…) Thẩm thấu ngược (reverse osmosis RO) 0.1-1nm Tách các muối đơn hĩa trị Mục đích - Khai thác : Khai thác lysine trong dung dịch lên men. - Chuẩn bị : Tách bỏ sinh khối và 1 số chất cĩ khối lượng phân tử lớn, giảm độ nhớt hiệu quả chuẩn bị cho quá trình trao đổi ion và tăng truyền nhiệt cho quá trình cơ đặc. Các biến đổi: Vật lý: - Giảm khối lượng dung dịch - Tỷ trọng bị thay đổi - Hệ số truyền nhiệt của dung dịch tăng Sinh học: - Giảm vi khuẩn trong dung dịch Hĩa lý : - Thay đổi số pha , tách ra được pha rắn và pha lỏng. Yếu tố ảnh hưởng : Mẫu sản xuất - Nồng độ dung dịch lên men Khi nồng độ cao: + Làm xuất hiện tượng tập trung nồng độ bề mặt, làm tăng trở lực và cảng trở dịng permeate ( dịng dung dịch thấm qua ). + Gây ra hiện tượng tắc nghẽn mao quản. + Độ phân riêng giảm vì làm tăng xác suất cấu tử lớn đi qua. Khi nồng độ lỗng : thời gian tiến hành lọc sẽ lâu. - Thành phần các chất trong dung dịch - Độ nhớt của dung dịch lên men : Độ nhớt càng thấp thì quá trình lọc sẽ nhanh hơn. Cĩ 2 cách để giảm độ nhớt dung dịch lên men lysine : Cho tác dụng với acid vơ cơ như là ( H2SO4, HCl ..) đưa PH của dung dịch về 1-3 Cho tác dụng với kiềm đưa PH của dung dịch > 9 + Sau đĩ đun nĩng dung dịch > 800C ( khoảng 1000C ) ít nhất là 5 phút Loại màng membrane : Vật liệu membrane, cấu trúc bề mặt, đường kính mao quản… Thơng số cơng nghệ: + Nhiệt độ : Khi tăng nhiệt độ độ nhớt của dung dịch giảm và tăng mức độ khuếch tán các cấu tử trong dung dịch . Nên quá trình lọc sẽ nhanh hơn. Ngồi ra cịn ảnh hưởng đến độ hịa tan của các chất khác nên tốc độ dịng permeate cũng bị thay đổi. + PH : - Ảnh hưởng đến tính chất tĩnh điện trên bề mặt của membrane và của các mao quản, từ đĩ làm thay đổi khả năng đi qua màng của các cấu tử và làm thay đổi độ phân riêng. - Ngồi ra PH thay đổi cĩ thể làm kết tủa 1 số muối khống nên sẽ ảnh hưởng đến quá trình lọc + Áp suất làm việc : Khi tăng áp suất , độ chênh lệch áp suất hai bên màng sẽ tăng , động lực của quá trình lọc sẽ tăng lên. Nhưng nếu cao quá sẽ làm ảnh hưởng đến màng . Nếu thấp quá thì thời gian lọc sẽ lâu. + Tốc độ cánh khuấy (nếu là máy lọc cĩ cánh khuấy ) : tạo nên sự chảy rối cho dung dịch hạn chế được sự tắc nghẽn các mao quản membrane. Phương pháp thực hiện: Thiết bị : - Máy siêu lọc dạng hình ống. Bộ phận chính là : + Hệ thống ống hình trụ rỗng, cĩ các lỗ nhỏ xung quanh thân + Thành trong của ống được ghép với màng siêu lọc hình ống + Màng siêu lọc (ultrafiltration membrane) : Hình 7 : Mơ hình màng siêu lọc UF - Nguyên liệu tạo màng gồm: vật liệu tạo màng, dung mơi và tác nhân tạo lỗ xốp. Vật liệu tạo màng: + Polyme đồng thể (cellulose acetat ,nitrat cellulose) + Copolyme. (copolyPAN-polyvinylchlorid) + Hỗn hợp polymer (cellulose acetat, nitrat cellulose, copolyPAN-polyvinylchlorid Hiện nay, những màng polyme được dùng phổ biến là cellulose acetate, polyamid, ceramic, polysulfo, polyacrylonitril và polypropylene. Chú ý : Màng lọc menbrane rất nhạy cảm với nhiệt độ và PH , nên khi lựa chọn thơng số cho quá trình lọc thì phải chọn những màng membrane thích hợp . Ngồi ra khi lựa chọn màng cần chú đến tính chất ưa nước hay ưa béo của vật liệu làm màng. Thơng số cơng nghệ : Áp suất làm việc : 5-15 bar. Tùy thuộc vào các thơng số khác : nồng độ, độ nhớt của dung dịch … Áp suất làm việc của các loại màng menbrane : Áp suất làm việc (Bar) Thẩm thấu ngược 35 – 100 Màng lọc nano 10 – 30 Siêu lọc 5 – 15 Vi lọc 3 – 5 Nhiệt độ tiến hành lọc > 800C ( khoảng 1000C ) PH làm việc phụ thuộc vào chất làm giảm độ nhớt . Tốc độ dịng chảy dao động trong khoảng lớn 5 – 500 L/m2h. Năng lượng bơm qua màng khoảng 0.5 – 5 kWh/m Chú ý : - Để thuận lợi cho quá trình lọc siêu lọc, nên tiến hành lọc sơ bộ dung dịch trước . Trao đổi ion: Bản chất : Là các phản ứng hĩa học đổi chỗ giữa một chất điện giải trong dung dịch và một chất điện giải khơng tan , được tiếp xúc với dung dịch. Đây là trường hợp đặc biệt của quá trình hấp thụ , nên tất cả những kỹ thuật của quá trình hấp thụ cĩ thể áp dụng cho quá trình này . + Ưu điểm : Tách được các ion 1 cách hiệu quả Hiệu suất thu hồi Lysine sau khi rửa giải cao 99.4 % Cĩ thể tái sinh các màng trao đổi ion Chi phí đầu khơng cao + Nhược điểm : Xảy ra hiện tượng ăn mịn khi rửa giải Chi phí vận hành cao Mục đích và phạm vi thực hiện: + Mục đích : - Hồn thiện chất lượng sản phẩm : Tách các ion và hấp thụ được những hợp chất hữu cơ khác . Các biến đổi: Hĩa học : Các anion và cation sẽ khếch tán qua các lỗ xốp và trao đổi ion với chất rắn điện giải. Trao đổi cation : + Ion làm việc là H+ hoặc là Na+ ( nên lựa chọn ion H+ vì cĩ thể tách được cả ion Na+ ) Cơ chế : Mn+ + nHR → MRn + nH+ Trong đĩ : Mn+ : - Là các ion trong dung dịch như là : Na+ , Ca2+ , Mg2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Ba2+, Al3+… - Là những chất hữu cơ mang điện tích dương trong dung dịch. HR : Là các loại nhựa polymer tổng hợp khơng tan cĩ chứa các nhĩm sulfonic , carboxylic hay phenolic. ( R- là biểu diễn phần anion cố định trong nhựa ) Trao đổi anion : + Ion làm việc là Cl- hoặc OH- Cơ chế : m RNH3- OH + Am- → ( RNH3 )m – A + mOH- H+ + OH- → H2O Trong đĩ : Am- : - Là những anion trong dung dịch như là : SO42-, NO3-…. - Là những chất hưu cơ mang điện tích âm trong dung dịch RNH3 – OH hay RNH3 – Cl : là các loại nhựa polimer khơng tan cĩ chứa nhĩm amin và các anion để trao đổi . ( RNH3 + là biểu diễn phần cation cố định trong nhựa ) Yếu tố ảnh hưởng : Mẫu sản xuất : Lượng ion cĩ trong dung dịch Loại ion trong dung dịch Tác nhân tham gia : Bản chất của chất rắn điện giải. Phương pháp tiến hành: Liên tục Gián đoạn Phương pháp cĩ hồi lưu hay khơng hồi lưu. Thơng số cơng nghệ: - Lưu lượng dung dịch đi vào - Tốc độ của quá trình trao đổi ion. Phương pháp thực hiện: Thiết bị : Hệ thống gồm hai cột trao đổi ion , được làm từ vật liệu polimer . + 1 cột cĩ khả năng trao đổi anion + 1 cột cĩ khả năng trao đổi cation - Gồm những đường ống để dẫn dịng dung dịch đến cột trao đổi ion , dịng hồn lưu , hệ thống dung dịch rửa giải và hệ thống để tái sinh ion làm việc trên cột. Ion – exchange system Nguyên lý hoạt động : Dung dịch sẽ được cho đi qua cột trao đổi anion . Tại đây các anion sẽ bị giữ lại trên cột . Dung dịch tiếp tục đi qua cột trao đổi cation . Tại đây các cation và lysine sẽ bị giữ lại. Tiến hành rửa giải để tách những ion và Lysine bám cột Cathode. + Dung dịch đệm tiến hành rửa giải phải cĩ PH thích hợp, để làm yếu liên kết lysine trên cột.( ngồi ra cĩ thể dùng cách khác : dùng chất cĩ lực ion mạnh để tách lysine) + Chất rửa giải cĩ thể dùng NH 4 OH , (NH4)2CO3 , NH 4HCO3 , KOH ( dựa trên cơ sở điểm đẳng điện của Lysine là 9.59 ) Sau quá trình trao đổi ion phải tiến hành tái sinh ion làm việc trên cột, bằng cách ngâm cột vào những dung dịch thích hợp Thơng số cơng nghệ : Thời gian rửa giải lysine ít nhất là 15 phút. Thời gian tối ưu là 30-45 phút Lượng Lysine trong nước rửa giải thu được là 500-775 g/L . Dung dịch Lysine thu được cĩ độ nhớt 0.213 Pa/ s , khả năng ổn định trong 23 ngày. PH của chất rửa giải là khoảng 11 – 12 . Chiều cao và đường kính cột trao đơi ion sẽ do mỗi hãng sản xuất quy định . Chú ý: Khi lượng Lysine trao đổi đã bão hịa trên cột thì ta phải tiến hành rửa giải cột và hồi lưu phần dung dịch đi ra để thu nhận lysine triệt để hơn. Quá trình sẽ dừng lại khi dung dịch thốt ra khơng chứa Lysine. Sau quá trình trao đổi ion ta sẽ tiến hành đun nĩng dung dich để đuổi NH3 . Ngồi ra dung dịch sau khi rửa giải cĩ thể sẽ được acid hĩa để tạo ra sản phẩm khác. Ví dụ như là HCl và sản phẩm tạo ra là L – Lysine – HCl. Đây là dạng muối kết tủa trắng , từ giai đoạn này nĩ cĩ thể sẽ được tiến hành lọc ra, đem sấy khơ để tạo thành sản phẩm. Nhưng phương pháp này khĩ thực hiện, thay vì đĩ sẽ tiến hành cơ đặc và sấy phun để tạo thành sản phẩm. Cơ đặc chân khơng : Bản chất : nâng cao nồng độ chất khơ các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi nước. Cơ đặc chân khơng là cơ đặc mà áp suất làm việc trong buồng bốc hơi nước rất thấp nhờ sự hoạt động của 1 bơm chân khơng Nhiệt độ cơ đặc chân khơng thấp, khoảng 60oC nên ít làm biến đổi sản phẩm. Mục đích: Mục đích: - Chuẩn bị : Giảm đáng kể lượng hơi nước để chuẩn bị cho quá trình sấy phun tiếp theo. c. Các biến đổi: Vật lý: Nồng độ chất hịa tan tăng, độ ẩm giảm Nhiệt độ, độ nhớt, khối lượng riêng tăng Thể tích, khối lượng giảm Hệ số truyền nhiệt giảm Hĩa lý: Sự bốc hơi nước Sinh học: Hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật do nồng độ chất khơ cao Tiêu diệt 1 số loại vi sinh vật do nhiệt độ cao Hĩa sinh: - Vơ hoạt các enzyme. d. Yếu tố ảnh hưởng: Mẫu sản xuất: - Độ nhớt dung dịch cao làm giảm chỉ số Reynolds và tốc độ tuần hồn của nguyên liệu trong thiết bị, do đĩ hệ số truyền nhiệt giảm. Thơng số cơng nghệ: Nhiệt độ hơi nĩng nhập vào và đi ra Nhiệt độ dung dịch nhập vào và đi ra Áp suất trong buồng bốc Nhiệt độ nước lạnh cung cấp thiết bị ngưng tụ. Số lần hồi lưu dung dịch e. Phương pháp thực hiện: Thiết bị: Thiết bị gồm cĩ Buồng đun nĩng: Gồm 2 phần : + Phần phía trên làm nhiêm vụ đun nĩng dung dịch + Phần phía dưới chứa sản phẩm cơ đặc từ buồng bốc hơi đi vào Hai phần này tiếp xúc với nhau, sản phẩm sẽ gia nhiệt một phần dung dịch đầu, nên sẽ tiết kiệm được năng lượng . Hệ thống bốc hơi: Cĩ nhiêm vụ làm sơi dung dịch ở nhiệt độ, áp suất thấp và tách nước ra khỏi dung dịch. Hệ thống này sẽ được kêt nối với 1 bơm chân khơng. Bộ phận ngưng tụ hơi thứ . Hệ thống đường ống dẫn hơi nĩng để gia nhiệt cho dung dịch ở buồng đun nĩng. Hệ thống ống này cĩ 1 phần tiếp xúc với hơi thứ đi ra ( hơi thứ sẽ gia nhiệt một phần, nên sẽ tiết kiêm được năng lượng ) Các hệ thống đường ống khác : đường ống nhập liệu , đường ống dẫn hơi thứ , đường ống dẫn nước lạnh để ngưng tụ hơi thứ… Bơm tạo chân khơng. Hình 10 : Hệ thống thiết bị cơ đặc chân khơng Buồng đun nĩng Buồng bốc hơi nước Hệ thống ống dẫn khí nĩng vào buồng bốc Bơm chân khơng Nguyên lý hoạt động: Dung dịch lysine cho vào thiết bị qua cửa nạp nguyên liệu. Sau đĩ đĩng chặt cửa lại. Mở van hơi cấp nhiệt cho thiết bị. Dưới tác dụng của hơi nước bão hồ, hỗn hợp dịch trong buồng đun nĩng được nâng dần nhiệt độ. Khi nhiệt độ dịch đạt 60-65oC, đưa dung dịch qua hệ thống bốc hơi nước . Ở buồng bốc hơi nước : + Bơm chân khơng hoạt động, hút hơi ẩm ra ngồi, tạo độ chân khơng cho thiết bị. + Khi áp suất chân khơng làm việc đạt khoảng 720mmHg, điều chỉnh van hơi sao cho thơng số của thiết bị ổn định, lúc này dịch trong thiết bị sơi, chất lỏng được hố hơi và hơi được hút ra ngồi liên tục bằng bơm chân khơng. + Nồng độ chất hồ tan trong dịch tăng dần lên. Quá trình diễn ra liên tục cho đến khi nồng độ lysine đạt yêu cầu. Dung dịch cơ đặc sẽ được đưa trở lại vào buồng đun nĩng Sau đĩ sản phẩm được tháo ra ngồi qua cửa tháo sản phẩm. Thơng số cơng nghệ: Nồng độ sau khi cơ đặc đạt được từ 30 – 50%. Áp suất hơi đốt: £ 2kg/cm2 Nhiệt độ cơ đặc: 60-65oC Thời gian cơ đặc: 2-3giờ Áp suất chân khơng: 720mmHg Sấy phun: Bản chất : Tác nước ra khỏi Lysine rắn dưới tác dụng của nhiệt. Động lực quá trình : Chênh lệch ẩm Chênh lệch áp suất + Ưu điểm : Thời gian sấy rất nhanh , hiệu suất cao, sản phẩm thu được ở dạng bột mịn. Nhờ sấy nhanh , nhiệt độ vật liệu khơng tăng cao. Độ ẩm bột Lysine sau cùng của quá trình sấy thấp 5 - 6 % . + Nhược điểm : Tiêu tốn năng lượng nhiều , thiết bị phức tạp nhất là ở cơ cấu phun sương và hệ thống thu hồi sản phẩm. Mục đích và phạm vi thực hiện + Mục đích : Chế biến : biến lysine từ dạng lỏng sang lysine dạng rắn Bảo quản : giảm lượng ẩm vì vậy sẽ ức chế được sự phát triển của vi sinh vật + Phạm vi thực hiện: Được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Trong nhiều cơng nghệ chế biến thực phẩm . Ở Việt Nam cơng ty VEDAN khơng áp dụng phương pháp này, thay vì đĩ sẽ tiến hành kết tinh trước, sau đĩ phân tách tinh thể và sẽ tiến hành sấy bằng những phương pháp thơng thường khác : sấy băng tải , sấy tầng sơi... → Tốn chi phí cho quá trình kết tinh, tăng tổn thất và chất lượng sản phẩm chưa cao. Các biến đổi: Vật lý : - Khối lượng giảm , thể tích giảm. - Nhiệt độ tăng. - Tỷ trọng cĩ sự thay đổi. Hĩa học: - Nồng độ chất khơ tăng Hĩa lý : - Sự bốc hơi nước - Sự hình thành các hạt sản phẩm. Sinh học và hĩa sinh : - Khơng đáng kể vì qúa trình cơ đặc đã làm vơ hoạt enzyme và tiêu diệt hết vi sinh vật. Yếu tố ảnh hưởng : Mẫu sản xuất : Nồng độ chất khơ của dịch Lysine cơ đặc Ảnh hưởng đến độ nhớt Chi phí năng lượng Nhiệt độ dung dịch đưa vào vì ảnh hưởng đến độ nhớt Phương pháp tiến hành: Ảnh hưởng đến kích thước , số lượng , quỹ đạo chuyển động của nguyên liệu trong buồng sấy. Đầu phun áp lực /1 dịng Đầu phun khí động/ 2 dịng Đầu phun Ly tâm Thơng số cơng nghệ: Nhiệt độ tác nhân sấy đầu vào và đầu ra Lưu lượng dịng khí nhập vào Lưu lượng dịng nhập liệu Áp lực của bơm Tốc độ quay của đĩa quay ( đầu phun ly tâm ) Kích thước miệng vịi phun Nhiệt độ làm lạnh sản phẩm Phương pháp thực hiện: Thiết bị Các loại đầu phun ly tâm : Standard wheel (31a ) cĩ các khe nằm ngang. phun sương là 1800 . Hình dạng của khe cĩ thể là hình trịn , hình chữ nhật , hình ovan… Cup Wheel (31 ) cĩ kích thước nhỏ hơn , bên trong cĩ 1 khe cĩ kích thước bằng 1/3 kích thước ở standard wheel ( 31a ) . Vận tốc sẽ nhanh hơn standard wheel 10% .Gĩc phun sương khơng phải là 180 độ vì khe nằm xiên . chất lỏng từ khe sẽ chảy ra phía bên trong tạo thành 1 lớp màng trước khi rời đầu phun nên tăng diện tích tiếp xúc của chất lỏng với khơng khí từ đĩ hạt tạo ra sẽ đều hơn. Nguyên lý hoạt động: (Với đầu phun áp lực / 1 dịng và đầu phun ly tâm) Bơm cao áp sẽ đưa nguyên liệu vào đầu phun. Nguyên liệu từ đầu phun sẽ được phun vào buồng sấy. Đồng thời lúc đĩ khơng khí nĩng từ caloriphe cũng được đưa vào buồng sấy. Sản phẩm Lysine bột sẽ được thu nhận ở đáy buồng sấy. Những hạt bột chưa kịp lắng xuống dưới đáy buồng sấy , sẽ bị khơng khí thốt mang theo , đi vào các cyclon. Tại cyclon các bột sản phẩm sẽ được thu hồi ở dưới đáy của cyclon. Khơng khí thốt sẽ đi qua máy lọc khí ( Filer / Bag collector ) sau đĩ thốt ra ngồi. Việc tuần hồn khí thải để tiết kiệm trong trường hợp này là khơng thực tế vì quá trình thu hồi bột sẽ mất nhiệt rất nhiều. Bột thu được sẽ được làm lạnh ( thổi khơng khí lạnh , đã tách ẩm vào ) để tránh hiện tượng vốn cục Thơng số cơng nghệ : Thời gian sấy : Rất ngắn , khoảng vài giây cho đến 10 giây Nhiệt độ khơng khí đầu vào của khơng khí: 1300C Kích thước khe phun: phụ thuộc vào độ nhớt chất lỏng , kích thước hạt bột mong muốn . Lưu lượng phun ra sẽ quyết định đến nhiệt độ sấy và độ ẩm của bột Muốn tạo ra bột cĩ kích thước hạt lớn ta dùng đầu phun cĩ kích thước khe phun lớn , áp lực nhỏ Muốn tao ra bột cĩ kích thước hạt nhỏ thì dùng đầu phun cĩ kích thước khe phun nhỏ, áp lực lớn. Tốc độ quay ( đầu phun ly tâm ) : phụ thuộc vào bán kính của đĩa Tốc độ trung bình : 10.000 – 30.000 rpm Đầu phun CF- 100 atomzer : Tốc độ trung bình: 25.000 rpm Tốc độ lớn nhất : 30.000 rpm Đầu phun CB- 160 atomizer : Tốc độ trung bình : 15.000 rpm Tốc độ lớn nhất : 20.000 rpm Áp lực bơm cao áp : cĩ thể lên tới 7000 PSIG ( 475 BARG ) Chú ý : - Để thu được sản phẩm bột cĩ độ ẩm thấp nên tiến hành kêt hợp sấy phun với một phương pháp sấy khác. - Bột sản phẩm sau khi sấy phải được làm lạnh rây phân loại và đĩng gĩi nhanh chĩng. - Kích thước bột lysine đem đi đĩng gĩi thường cĩ kích thước 177- 1190 mm. Đĩng bao bì: Mục đích : - Bảo quản: đảm bảo ổn định chất lượng sản phẩm. - Hồn thiện sản phẩm : - Giới thiệu sản phẩm với khách hàng , - Đảm bảo tiện dụng trong phân phối, kiểm tra, quản lý và tiêu dùng. Phương pháp tiến hành: Lựa chọn vật liệu bao bì : Bao bì lựa chon để đĩng gĩi lysine dạng sản phẩm bột là bao bì plastic Bao bì plastic cĩ thể là bao bì một lớp hay là bao bì được ghép nhiều lớp từ những vật liệu khác nhau. Ưu điểm : + Nhẹ hơn tất cả các loại bao bì khác, thuân tiện cho việc chuyên chở. + Bao bì cĩ đạt độ mềm dẻo tốt + Cĩ những loại bao bì plastic cĩ độ cứng vững cao, chống qua chạm cơ học hiệu quả. + Chống thấm khí, hơi + Cĩ thể in ấn nhãn hiệu dễ dàng . Bảng 5 : Một số vật liệu plastic dùng làm bao bì LDPE ( Low density polyethylene) LLDPE ( linear low density polyethylen) HDPE ( high density polyethylene) (- CH2-CH2- ) n Đặc điểm:- Tỷ trọng 0,91 – 0.925g/cm3 - Các điểm nhiệt độ : + tnc : 930C + tmin : -570C + thàn : 120-1500C Chống thấm nước tốt Chống thấm khí kém Chống thấm dầu mỡ kém Khả năng in ấn kém Khi bị chiếu xạ thì trở nên vàng trong suốt và cứng giịn hơn - Bền với acid và kiềm - Dùng làm lớp trong cùng của bao bì vì dễ dáng nhiệt (- CH2-CH2- ) n Đặc điểm: - Tỷ trọng 0.91- 0.92 g/cm3 - Các điểm nhiệt độ : + tnc : 95- 1800C + tmin : -570C + thàn : 120-1500C - Chống thấm tốt - Chống thấm khí và hơi nước cao hơn LDPE - Tính chống dầu mỡ cải thiện hơn. - Khả năng in ấn cao hơn - Bền với acid và kiềm - Dùng làm lớp trong cùng của bao bì. (- CH2-CH2- ) n Đặc điểm:- Tỷ trọng 0.94 – 0.965 g/cm3 - Các điểm nhiệt độ : + tnc : 121 0C + tmin : -460C + thàn : 140-1500C Chống thấm tốt - Tính chống khí, hơi cao hơn 2 loại trên Tính chống dầu mỡ cao hơn Nhứng tính chất cịn lại tương tự LLDPE - Dùng làm lớp ngồi cùng của bao bì vì cĩ độ cứng tốt Polypropylene- PP Oriented polypropylen- OPP ( -CH2- CH(CH3)-) n Tỷ trọng: 0.885- 0.905 g/cm3 Các điêm nhiệt độ: + tnc : 132- 149 0C + tmin : -180C + thàn : 140 0C Khĩ bị rách rất bền với những tác động cơ học Trong suốt Độ bĩng bề mặt cao Khả năng in ấn cao Tính chống khí, hơi nước tốt hơn PE Chống thấm dầu mỡ rất tốt Bền hĩa học với muối, acid, kiềm Tính bền cơ cao hơn PE ( -CH2- CH(CH3)-) n Tỷ trọng: 0.885- 0.905 g/cm3 Các điêm nhiệt độ: + tnc : 140-146 0C + tmin : -500C + thàn : 150 0C Rất bền cơ, bền hơn PP Trong suốt Độ bĩng bề mặt cao hơn PP Khả năng in ấn cao Chống thấm khí tốt hơn PP Chống dầu mỡ rất tốt Bền hĩa học với muối, acid, kiềm Nylon ( polyamide 6 hay nilon 6) Tỷ trọng: 1.13 - Các điểm nhiệt độ : + tnc : 220 0C  + tmin : -730C + thàn : 140 0C Đặc điểm : cĩ tính dẻo cao, tính cứng vững kém Khả năng in ấn cao Tính chống thấm nước và chống thấm hơi nước rất kém Tính chống khí O2 , N2, CO2.. rất tốt Tính chống thấm dầu mỡ cao Bền hĩa học với muối, acid, kiềm lỗng Hư hỏng trong 1 số dung mơi hữu cơ. Ứng dụng : Làm bao bì rút chân khơng cho thực phẩm Ghép với các loại plastic khác… Cách đĩng gĩi: Các màng plastic sẽ được ghép bằng phương pháp hàn nhiệt, Màng sẽ được ghép mí ở hai bên và đáy trước. Sản phẩm sẽ đươc đưa vào ở phần đỉnh của bao Cuối cùng sẽ ghép mí ở phần đỉnh bao. Chú ý : - Để tăng hiệu quả cho đĩng gĩi cĩ thể đĩng gĩi cĩ hút chân khơng, hoặc là nạp khí N2, CO2 IV. Sản phẩm : Mơ tả sản phẩm: Sản phẩm lysine dưới dạng bột : L - Lysine – HCl : Hình 15 : Sản phẩm L- lysine HCl dạng bột 1. Màu sắc : màu trắng 2. L- lysine HCl : 98.5% 3. Muối amoni : max 0.04% 4. Kim loại nặng : max 30ppm 5. Arsenic (As ) : max 2ppm 6. Chì (Pb ) : max 3ppm 7. Điều kiện bảo quản lạnh ở nơi mát mẻ và khơ ráo L- lysine sulphate: Hình 16 : Sản phẩm L- lysine sulphate dạng bột 1) L- lysine sulphate : > 51% 2) Sulfate: max 15% 3) muối amoni : max 1% 4) kim loại nặng : max 30ppm 5) Arsenic (as As): max 2ppm 6) màu sắc: màu nâu 7) Bảo quản ở nơi thống mát, khơ ráo 8) Thời gian sử dụng 2 năm sau ngày sản xuất Sản phẩm lysine dưới dạng thuốc bổ : Hình 17 : Sản phẩm L- lysine dưới dạng thuốc bổ Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm: L - Lysine – HCl đạt tiêu chuẩn ISO 9001:2000 Cảm quan : .Màu sắc : màu trắng, Hình dạng: bột, tương đối đồng đều, khơng vốn cục, Hĩa lý : 1. L- lysine HCl : 98.5% 2. Muối amoni : max 0.04% 3. Kim loại nặng : max 30ppm 4. Arsenic (As ) : max 2ppm 5. Chì (Pb ) : max 3ppm Chỉ tiêu vi sinh : Khơng cĩ vi sinh vật gây bệnh . Bao bì : Bao bì khơng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, ghi nhãn theo quy định ISO 9001: 2000 V. Thành tựu và hướng phát triển cơng nghệ: Ngày nay xuất hiện nhiều bằng phát minh về các loại giống vi sinh vật khác nhau để sản xuất lysine, hướng phát triển cơng nghệ đến những nguồn nguyên liêu sử dụng khác nhau, rất kinh tế : metanol , các nguồn hydrocabon… Và sản lượng và hiệu suất lên men lysine cũng tăng lên đáng kể. Theo thư mục bằng sáng chế quốc tế thì hàm lượng và năng suất L-lysine thu được gia tăng liên tục trong 50 năm qua trong quá trình lên men L-lysine. Quá trình lên men thơng thường tiến hành cho đến khi hàm lượng của L-lysine hay của sản phẩm mong muốn đạt đến một cực đại. Đích này bình thường đạt được trong 10-160 giờ sản xuất L-lysine . Hàm lượng L-lysine từ 11.1-15.4g/l đã đạt được nhờ những giống đột biến khác nhau trong bình thí nghiệm sau 48h . Bảng: So sánh kết quả thu được bởi giống tự nhiên và đột biến Số bằng sáng chế L-lysine (g/l) Giống tự nhiên L-lysine (g/l) Giống đột biến US7122369 B2 và US6984512 B1 9.4 g/l (SF) 88.3 g/l (BF) 14.1-24.6 g/l (SF) 122.3 g/l (BF) US5770412 Tăng 10% so với giống tự nhiên Những lần lên men từ 30-100h đạt đến 50-100g/l L-lysine được sản xuất nhờ những giống đột biến trong 30-100h trên mơi trường mật rĩ , hay 70g/l L-lysine, 44% năng suất và 15% chất rắn (w/w) đạt được sau 50h tại 35oC . Hàm lượng của L-lysine là 41-96g/l và năng suất là 17-32% đã đạt được sau 72h nhờ nuơi cấy những giống vi sinh vât đột biến hiếu khí tại 30oC và pH 7.2-8.0 (acid acetic và amoni acetate) dùng ethylalcohol như nguồn cacbon, 20-39g/l L-lysine với mật rĩ của củ cải đường và 18-37g/l với mật rĩ của mía Nồng độ chuẩn của L-lysine từ 32-41g/l và năng suất từ 32-41% đã đạt được nhờ acid fluoropyruvic 84g/l L-lysine và năng suất 29-32% đã đạt được sau 55h nhờ hai giống vi sinh vật đột biến của B.lactofermentum từ acid acetic Hơn nữa, hàm lượng L-lysine-HCl từ 10- 21.3g/l và năng suất từ 21.7- 29.7 đã đạt được sau 72h nhờ những giống vi sinh vật đột biến của Corynebacteria tại nhiệt độ 31.5oC Trong bằng phát minh US6025169 cho biết năng suất gia tăng từ 32% (lên men tĩnh) và 33% (lên men tĩnh cĩ bổ sung cơ chất) tới 35% và năng suất thể tích từ 2.2g/(l*h) (lên men tĩnh) và 2.3g/(l*h) (lên men tĩnh cĩ bổ sung cơ chất) tới 2.8g/(l*h), duy trì hàm lượng đường thấp hơn 5g/l. Nồng độ L-lysine-HCl khoảng 6.3-28.7g/l đã được sản xuất trong những bình thí nghiệm cĩ lắc trộn sau 5 ngày nhờ những giống đột biến của N. alkanoglutinousa tại 33oC, phụ thuộc vào nguồn cacbon được sử dụng và đạt được 52.5g/l sau 96h trong thiết bị phản ứng sinh học tại 33oC, pH 7.0. Sau 5h đạt được 70g/l lysine nhờ một giống Corynebacterium (Mỹ cấp bằng sáng chế 5133976). Sản xuất được 120g/l L-lysine-HCl, 45% năng suất và 1.6-2.5g/l arginine nhờ giống đột biến C. glutamicum CS-755 Sự gia tăng từ 12.5g/l đến 39g/l L-lysine giữa giống B. lactofermentum cĩ một plasmid mang transformant được thể hiện trong sau 70h nuơi cấy trên một mơi trường tổng hợp với 100g/l glucose tại 30oC. Thơng thường, những cơng ty sản xuất khơng để lộ ra thơng tin đáng quan tâm về hàm lượng và năng suất của L-lysine vì sự cạnh tranh mạnh mẽ trong cơng nghiệp ngày nay. Khoảng 170g/l L-lysine được sản xuất khơng liên tục sau 2 ngày sử dụng các giống tiếp hợp của C. glutamicum (Trung tâm Nghiên cứu Julich, Đức, 2006). Khoảng 100g/l L-lysine được sản xuất liên tục ở những điều kiện tối ưu hĩa tại những thời gian cĩ mặt xúc tác ngắn bởi một sự giống B. lactofermentum mà khơng áp dụng bất kỳ sự cải tạo di truyền nào, nhấn mạnh tiềm năng vẫn cịn tiềm tàng sự phát triển quá trình lên men lysine. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Ái . Cơng nghệ lên men ứng dụng trong cơng nghệ thực phẩm. Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM.2005 [2] Lê Văn Việt Mẫn .Cơng nghệ sản xuất các loại sản phẩm từ sữa và thức uống (tập 1 ) . Nhà xuất bản Đại Học QuốcGia TP.HCM.2004 [3] Trần Thị Thu Trà. Cơng nghệ bảo quản và chế biến lương thực ( tập 1 ). Nhà xuất bản Đại Học QuốcGia TP.HCM.2007 [4] Lương Đức Phẩm. Cơng nghệ vi sinh vật. Nhà xuất bản Nơng Nghiệp.2001 [5] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ. Quá trình và thiết bị truyền nhiệt . Nhà xuất bản Đại Học QuốcGia TP.HCM.1992 [6] Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh. Quá trình và thiết bị ( tập 3 ) . Nhà xuất bản Đại Học QuốcGia TP.HCM.2000 [7] Nguyễn Lâm Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty . Vi sinh vật học. Nhà xuất bản Giáo Dục.1998 [8]Đống Thị Anh Đào. Kỹ thuật bao bì thực phẩm. Nhà xuất bản Đại Học QuốcGia TP.HCM.2008 [9]. Trương Văn Lung . Cơng nghệ sau thu hoạch . Tủ sách khoa học Đại học Huế. 2002 [10] Nguyễn Văn Lụa . Quá trình và thiết bị trong cơng nghệ hĩa học ( tập 3 ) . Nhà xuất bản Đại Học QuốcGia TP.HCM.2008 [11]Rehm H.J., Reed G. Biotechnology ( volume 6 ). VCH Publisers, Weinheim, 1996 [12] Sahm H., Eggeling L., Eikmanns B., Kramer R. Construction of L-lysine-, L- threonine-, or L-isoleucine-overproducing strains of Corynbacterium glutamicum. Ann New York Acad Sci 1996. [13] Broer S, Kramer R. Lysine excreion by Cornebacterium glutamicum.2.Energetics and mechanism of the transport system Eur J Biochem 1991 [14] T., Hirao, T.,Azuma, Nakahishi T. .Process for production of lysine by fermentation and Microorganisms for use threin . UK Patent, No.GB 2152 509A . 1985. [15] Vallino J.J., Stephanopoulos, G. Metabolic flux distributions in Corynebacterium glutamicum during growth and lysine overproduction. Biotechnol Bioeng 1993 Các webside: www.freepatentsonline.com/ www.tcvninfo.org.vn/ www.remco.com/ www.pic.uk.net/ www.novasep.com/Technologies/Ion-exchange.asp/ www.niroinc.com/ www.apv.com