Đề tài Công nghệ sản xuất dextran

MỤC LỤC I. GIỚI THIỆU CHUNG Trang 1. Giới thiệu chung về dextran 2 2. Ứng dụng dextran 6 II. NGUYÊN LIỆU 1. Mía 7 2. Vi sinh vật 9 III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DEXTRAN A. Sơ đồ khối 10 B. Giải thích quy trình công nghệ: 12 IV. SẢN PHẨM 1. Tính chất dextran:. 42 2. Chỉ tiêu chất lương sản phẩm: 42 V. BÀI BÁO KHOA HỌC VÀ THÀNH TỰU CÔNG NGHÊ 1. Các nghiên cứu khoa học: 44 2. Lên men dextran từ dịch chiết carob và đường lactose: 45 3. phương pháp sản xuất dextran mới: 48 VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 50 I. GIỚI THIỆU CHUNG: 1. Giới thiệu chung về dextran: a. Định nghĩa dextran: Dextran là một polymer sinh học, phần lớn được tổng hợp từ các vi khuẩn Lactic, có các monomer là các gốc glucose liên kết với nhau nhờ liên kết 1,6-glucoside. Những vi sinh vật khác nhau thường tạo nên những dextran khác nhau về trọng lượng phân tử, về sự phân bố nhánh trong cấu trúc phân tử. Cấu trúc này còn phụ thuộc vào điều kiện nuôi cấy những vi sinh vật sản sinh ra dextran. Các polysaccharide kiểu dextran không bắt màu với iod, phân tử lượng của chúng rất lớn và không cố định, dao động trong một phạm vi rộng, từ 1000 – 2.000.000 Da. Dextran chỉ được tổng hợp từ saccharose, không thể tổng hợp từ glucose hay bất kỳ các loại đường nào khác. Các loại đường khác trong môi trường lên men chỉ đóng vai trò như nguồn cung cấp cacbon cho vi khuẩn phát triển. b. Công thức cấu tạo: Dextran là một loại polysaccharide tương tự như amylopectin, nhưng mạch chính được hình thành bởi liên kết α-1,6 glucoside và các nhánh bên được gắn với nhau bởi liên kết α-1,3 hoặc α-1,4 glucoside . Hình 1: Công thức cấu tạo Dextran c. Cơ chế hình thành: Đa số các polysaccharide ngoại bào từ vi sinh vật đều là sản phẩm của sự chuyển hóa nội bào cơ chất thành các sản phẩm trung gian, và cuối cùng thành polymer. Dextran khác các polysaccharide này, cơ chất không thâm nhập vào tế bào vi sinh vật mà nó được chuyển hóa bên ngoài tế bào thành α-D-glucan phân nhánh, tức là dextran. Chỉ có saccharose được dùng làm cơ chất cho phản ứng này. Như vậy, polysaccharide có thể được sản xuất bởi các tế bào nguyên vẹn trong môi trường nuôi hoặc có thể được tạo ra từ các chế phẩm phi tế bào chứa phức hệ enzyme dextransaccharase (α -1,6-glucan : D-fructose 2-glucosyltransferase). Enzyme này giải phóng fructose và chuyển gốc glucose lên một phân tử chất nhận cũng đã được liên kết với enzyme :  (1,6- α -D-glucosyl)n + saccharose è (1,6- α -D-glucosyl)n+1 + fructose Hình 2: Cơ chế hoạt động của enzym dextransaccharase. X1,X2,X là ký hiệu thay thế cho enzym hoạt động. Enzym giải phóng fructose ra khỏi saccharose và kết hợp tạo phức với gốc glucose. Sau đó nhóm C-6 OH của một gốc phức khác kết hợp với C-1 và giải phóng X, kết quả là hai gốc glocose liên kết lại với nhau bởi liên kết α-1,6-glucoside. Trong quá trình polymer hóa chuỗi dextran đang dài ra vẫn liên kết chặt chẽ với enzyme, mức độ polymer hoá tăng cho đến khi phân tử chất nhận (trong trường hợp đơn giản nhất là một phân tử cơ chất) giải phóng chuỗi polymer khỏi enzyme. Năng lượng tự do của lên kết glucoside trong phân tử disaccharide nằm vào khoảng 23 kJ trong khi năng lượng tự do của liên kết glucoside bên trong dextran thấp hơn một chút (12-17 kJ). Do vậy phản ứng diễn ra theo chiều từ trái sang phải đi kèm với một sự giảm năng lượng tự do. Fructose có thể chuyển thành acid lactic, acid acetic, ethanol. Đáng lưu ý là trong chuỗi phản ứng còn có sự xuất hiện của một chất cho H+ trong phản ứng giải phóng fructose và nhận H+ trong phản ứng liên kết hai gốc glucoside lại với nhau. Đó là hai nhóm imidazolium(C3H4N2) của histidine rất cần thiết cho quá trình tổng hợp dextran. Các loại đường khác ngoài saccharose (như là maltose) tham gia phản ứng tạo thành các oligosaccharide thay vì các dextran cao phân tử. Các gốc glucosyl còn sót lại trong quá trình tổng hợp dextran được chuyển thành các gốc tự do đóng vai trò như là chất nhận có ảnh hưởng lớn đến phản ứng. Trong tất cả các chất nhận thì maltose và isomaltose được xem là có ảnh hưởng lớn nhất đến phản ứng. Các chất nhận này tương tác cùng hoá trị với phức enzym-glucosyl hoặc enzym-dextranosyl để giải phóng glucose hay mạch dextran ra khỏi enzym hoạt động, đồng thời tạo liên kết với glucose hay dextran ngay tại vị trí của enzym. Hình 3: Cơ chế ngưng phản ứng tổng hợp dextran của chất nhận Các thành viên thấp nhất của các oligosaccharide không phải là các phân tử chất nhận có hiệu quả, ái lực đối với enzyme tăng dần theo độ dài chuỗi. Tuy nhiên, sự hạn chế về độ khuếch tán cũng tăng theo trọng lượng phân tử. Dựa vào cơ chế này người ta có thể khống chế được độ dài mạch dextran trong quá trình sản xuất bằng cách điều khiển sự thuỷ phân dextran để tạo các chất nhận. Khi chất nhận là dextran cao phân tử, C-3 của dextran làm chất nhận kết hợp với C-1 của phức glucosyl-enzyme hoặc dextranosyl-enzyme để giải phóng glucose hay dextran và hình thành một liên kết nhánh giữa dextran chất nhận và glucose hay dextran giải phóng tại vị trí của enzyme. Hình 4: Cơ chế ngưng phản ứng tổng hợp dextran của chất nhận Phản ứng này đã tạo thành liên kết nhánh cho mạch dextran, dạng α(1,3)-glucosyl. Ngoài ra vẫn có liên kết nhánh dạng α(1,2)-glucosyl nhưng rất ít gặp trong cấu trúc dextran. 2. Ứng dụng: Dextran đươc biết đến từ thế kỷ mười chín, nó được tìm thấy trong khối cầu đặc trong suốt quá trình sản xuất đường mía và đường củ cải. Dextran có nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, y dược, hóa công nghiệp chẳng hạn như tá dược, chất nhũ hóa, chất mang, chất ổn định. Liên kết ngang trong dextran chẳng hạn như sephadex được sử dụng rông rãi trong phân riêng, sắc ký lọc gel và tinh sạch rất nhiều sản phẩm khác nhau như protein trong nghiên cứu và công nghiệp. Trong công nghệ thực phẩm: Dextran được sử dụng nhiều tuy nhiên phạm vi ứng dụng của nó rất hẹp. Dextran được sử dụng trong sản xuất sữa bột, yoghurt, nước xốt cà, mayonnaise, chất làm đặc mức đông và kem. Nó được sử dụng để ngăn chặn quá trình kết tinh đường, cải thiện khả năng hút ẩm, duy trì hương và hình dạng của thực phẩm. Ngoài ra dextran còn được dùng để chế thành thức ăn kiêng đối với một số bệnh như đái tháo đường, làm chất đồng hóa, chất ổn định, chất tạo màng trong bảo quản và chế biến thực phẩm. Trong y học và thú y: dextran có phân tử lượng khoảng 80000 được dùng làm chất thay thế huyết tương. Dextran được gắn với Fe thành phức dextran Fe làm thuốc trị bệnh thiếu máu và một số triệu chứng có liên quan dến suy dinh dưỡng, rối loạn tiêu hoá. Dextran còn được dùng chế tạo chỉ sinh học, băng dính sinh học dùng trong phẫu thuật. II. NGUYÊN LIỆU 1. Mía: Cây mía thường trồng ở khu vực nhiệt đới, chủ yếu là các nước đang phát triển. Thời điểm thu hoạch: Thu hoạch tốt nhất khi cây mía đạt độ chín công nghiệp, có hàm lượng đường đo được ở phần gốc và phần ngọn là gần tương đương và phải đảm bảo các chỉ tiêu: độ Brix >20%, độ Pol >19%, Rs87%, ECS (chữ đường)>11. Nên thu hoạch các ruộng mía cần trồng mới lại trước các ruộng mía lưu gốc. Không thu hoạch mía trong các ngày rét đậm, trời mưa to, đất còn ẩm ướt. Thu mía theo đặc tính giống: giống chín sớm phải thu hoạch trước, giống chín muộn thu sau bằng cách chặt thủ công hoặc thu bằng máy. Thu đến đâu chuyển nhanh về nhà máy trong ngày. Bảng 1: Thành phần các chất dinh dưỡng trong mía Thành phần Tính theo trọng lượng mía(%) Tính theo nước mía hỗn hợp(%) Tính theo phần trăm chất khô(%) Saccharose 11.88 12.63 70-90 Đường khử 1.35 1.44 4-8 Protein 0.42 0.48 0.5-0.6 Acid tự do 0.13 0.14 3-7 Acid kết hợp 0.14 0.15 0.3-0.6 Chất keo 0.39 0.41 3-5 Chất tro 0.39 0.6 Nước 59.12 78.15 Bảng 2: Thành phần khoáng trong nước mía: Thành phần Hàm lượng (%) SiO2 0.25 K2O 0.12 Na2O 0.01 CaO 0.02 MgO 0.01 Fe2O3 Vết P2O5 0.07 SO3 0.02 Cl Vết Trong đó thành phần quan trọng là Saccharose. Saccharose là một disaccharide do glucose và fructose liên kết với nhau theo liên kết 1,2-glucoside và có góc quay cực là +66.5o Hình 5: Công thức cấu tạo saccharose Saccharose dễ bị thuỷ phân nhờ enzym invertase hoặc acid tạo glucose và fructose theo tỉ lệ 1:1 được gọi là đường nghịch đảo. Ở thực phẩm có pH acid cũng thuận lợi cho sự nghịch đảo. Sự nghịch đảo đường làm tăng chất khô lên 5,26%, tăng nhẹ vị ngọt và nhất là tăng độ hoà tan của đường trong dung dịch. Sự tăng tính hoà tan của đường trong dung dịch là do tính hoà tan cao của fructose và tính khó kết tinh của glucose so với saccharose. 2. Vi sinh vật a. Giống vi sinh vật: Vi sinh vật dùng để lên men dextran là các chủng thuộc Streptobacterium destranicum, Streptococcus mutans, Leuconostoc dextranicus, Leuconostoc mesenteroides, L.citrovorus… Trong môi trường chứa saccharose vi khuẩn tiết ra enzym dextran-saccharase (α-1,6-glucan: D-fructose 2-glucosyltransferase, khối lượng phân tử 170kDa) phân giải saccharose ngoại bào thành glucose và fructose đồng thời tổng hợp glucose thành dextran. Sản phẩm phụ thuộc cả vào chủng lẫn vào các điều kiện sử dụng cho sinh trưởng và tổng hợp polymer. Ở một số chủng, dextransaccharase nằm ở dạng hòa tan trong khi ở các chủng khác, nó liên kết một phần hay hầu như hoàn toàn với tế bào. Sản xuất dextran công nghiệp dùng Leuconostoc mesenteroides để tạo ra một polymer chứa khoảng 95% liên kết α-1,6 (phần còn lại là liên kết α -1,3) và một trọng lượng phân tử là 4-5 x 107 dalton. Hình 6: Vi khuẩn Leuconostoc mesenteroides Leuconostoc mesenteroides là cầu khuẩn gram âm, kích thước 1-1.5µm không có khả năng sản sinh catalase, ky khí hoặc vi hiếu khí, có khả năng lên men đường, không tổng hợp acid lactic từ D- và L-arabinose, D- và L-xylose, D- và L-ribose. Trong quá trình nuôi cấy chúng được xếp thanh chuỗi. Trên môi trường rắn có chứa saccharose chúng mọc lên thành các khuẩn lạc và được phủ một lớp màng nhầy. Có giống tổng hợp được acid lactic từ đường lactose và có giống không tổng được acid lactic. Nhiệt độ sống tối ưu là 30oC, pH tối ưu là 7.0. Giống Leuconostoc mensenteroides có thể được phân lập từ các loại rau lên men như cải bắp, súp lơ, bí ngô, cà rốt, và khoai tây. Giống sau khi được phân lập sẽ được duy trì trong môi trường dinh dưỡng chứa saccharose ở 40C. b. Yêu cầu chọn giống: Khả năng sinh độc tố : không có . Khả năng sinh tổng hợp sản phẩm chính: sản lượng dextran tạo thành là lớn nhất. Khả năng thích nghi và tốc độ sinh trưởng: dễ nuôi cấy, thích nghi tốt với môi trường, tốc độ sinh sản nhanh. Điều kiện nuôi cấy: môi trường nuôi cấy dễ kiếm, rẻ tiền. Yêu cầu khác : Dextran tạo thành bởi giống vi sinh vật phải dễ dàng lọc và kết lắng tốt . III. QUY TRÌNH SẢN XUẤT DEXTRAN: A. Sơ đồ khối Mía Giống Leuconostoc mesenteroides Tách nước mía Dextran Chuẩn bị môi trường Tái kết tủa Nhân giống Lọc Thanh trùng Lên men Kết tủa lần một Rửa Sấy phun Hòa tan trong nước Ly tâm Ethanol Bã mía Bã mía Chưng cất Thu hồi ethanol Ethanol Mầm dextran Lọc VSV và than họat tính B. Giải thích quy trình công nghệ : 1. Tách nước mía : Mục đích: Khai thác. Tách nước mía ra khỏi mía . Biến đổi: +Vật lý: Giảm kích thước mía. +Sinh học: số lượng vi sinh vật tăng. Phương pháp thực hiện: Xử lý mía trước khi ép: Mục đích: Tạo điều kiện ép dễ dàng hơn, nâng cao năng suất và hiệu suất của công đoạn ép. Cây mía thường không thẳng, đổ xuống băng lộn xộn, mía có vỏ cứng, có sức đề kháng lớn, ngoài vỏ có nhiều phấn trơn trượt khó ép. Bởi vậy nên san bằng và băm nhỏ mía để mía được dễ kéo vào máy, mật độ mía trên băng đồng đều để mía trên băng đầy tải và máy ép mía làm việc ổn định. Các thiết bị xử lý mía thường dùng là máy san bằng, máy đánh tơi. Máy san bằng: Máy gồm một trục quay gồm 24 đến 32 cánh cong được lắp trên một mặt bằng, quay ngược chiều với chiều băng mía đi. Chiều cao từ mặt bằng đến cánh tay máy tùy theo yêu cầu độ dày của lớp mía. Máy được dùng để san đều lớp mía vừa đổ xuống băng. Tốc độ quay khoảng 40-50 vòng/ phút. Máy băm: Máy băm mía thành những mảnh nhỏ, phá vỡ các tế bào mía, san mía thành lớp dày ổn định trên băng, nâng cao mật độ mía trên băng từ 125-150 kg/m3 lên đến 250-350 kg/m3. Công dụng máy băm: - Nâng cao năng suất ép, do san mía thành lớp dày đông đều, mía dễ được kéo vào máy ép, không dễ bị trượt, tắc nghẽn. - Nâng cao hiệu suất ép do vỏ mía đã được xé nhỏ, tế bào mía đã được phá vỡ, lực ép phân bố đều mọi điểm nên máy ép luôn đầy tải và nước mía chuyển ra dễ dàng. Khi lắp một máy băm năng suất máy ép tăng lên 12-20%, hiệu suất ép tăng 0.2%. Máy băm gồm một trục lớn lồng cố định vào các tấm đĩa có khe để lắp các lưỡi dao được đỡ trên hai đầu bằng ổ bi. Trên mỗi dĩa lưỡi dao được lắp đối nhau và cân bằng trọng lượng. Hình 7: Máy băm mía Khoảng cách của các lưỡi dao kề nhau thường là 50mm và có nhiều kiểu lưỡi dao băm như: lưỡi dao rọc giấy, kiểu răng cưa, kiểu lưỡi vuông. Hình 8: Cự li lắp dao băm Máy đánh tơi: Sau khi qua máy băm thì còn nhiều cây mía chưa được băm nhỏ, cần được xé và đánh tơi ra để mía vào máy ép dễ dàng hơn, hiệu suất ép cao hơn. Do đó người ta đã xử dụng thêm máy đánh tơi dể giải quyết vấn đề đó và làm cho hiệu suất tăng lên khoảng 1%. Máy đánh tơi kiểu búa: là một dạng máy dập bằng các búa xoay lắp thành hàng song song xung quanh trục quay bằng thép, đặt trong vỏ máy hình trụ, mặt cắt ngang hình máng. Bên sườn trong của vỏ có gắn nhiều miếng sắt dọc thân máy và được coi là các tấm kê của búa đập. Búa đập với tốc độ khoảng 1200v/ph theo chiều chuyển động của mía. Khi lắp một máy đánh tơi kiểu búa, tỉ lệ tế bào bị xé tăng lên 95%. Hình 9: Máy đánh tơi kiểu búa. 1. Thân vỏ máy 2. Búa dập 3. Trục dĩa quay 4. Tấm kê Máy đánh tơi kiểu dĩa: Kiểu này gồm hai trục ép lại bởi nhiều dĩa răng cưa hình nón lắp từng đôi một úp vào nhau, hai trục quay tốc độ khác nhau, do đó mía được xé tơi. Trục trên khoảng 150v/ph, trục dưới nhanh hơn khoảng 460v/ph. Hình 10: Máy đánh tơi kiểu dĩa Máy ép dập: Mục đích: nhằm tách nước mía ra khỏi cây mía và làm cho mía dập vụn hơn, thu nhỏ thể tích lớp mía để cho hệ thống ép mía làm việc ổn định hơn, tăng hiệu suất ép và làm giảm bớt công hao phí. Cấu tạo: Máy ép dập có những rãnh trên thân trục hình chữ V, góc mở 60o, chiều sâu của rãnh khoảng của khoảng cách giữa các rãnh với nhau. Hình 11: Trục ép dập kiểu Krajewski. Máy ép dập hai trục: Giá máy có đọ nghiêng từ 60-75o sao cho máy vào mía làm với đường nối giữa hai tâm trục một góc 75odể mía vào máy và nước tháo ra dễ dàng. Hình 12: Máy ép mía 2 trục Máy ép dập ba trục: Máy gồm ba trục, lắp trên một giá máy, thực hiện hai lần ép. Cấu tạo giống như máy ép hai trục. Hình 13: Vị trí lắp tấm dẫn mía Thông số : + Tốc độ máy ép dập bao giờ cũng nhanh hơn các máy ép sau khoảng 25% như vậy mới cung cấp đủ mía cho máy ép vì mía vào máy còn lộn xộn, chưa đều . + Lực nén trên trục đỉnh: - Đối với máy ép dập hai trục: lực nén bằng 50-75% lực nén trên máy ép sau . - Đối máy ép dập ba trục: lực nén bằng 65-75% lực nén máy ép sau . + Năng suất máy ép : - Máy ép dập hai trục: 45-55% nước mía trong cây mía. - Máy ép dập ba trục: 65-75% nước mía trong cây mía. Ép mía : Mục đích: lấy kiệt lượng nước mía có trong mía tới mức tối đa cho phép . Cấu tạo máy ép: Gồm các bộ phận chính : - Giá máy: là bộ khung chịu lực rất lớn từ 3500-7000F, đúc bằng thép, trên lắp tất cả chi tiết của máy . - Các trục ép: trục đỉnh, trục trước, trục sau. Trục ép thường có lõi trục bằng thép, một đầu gắn một bánh xe răng cao chân truyền chuyển động lồng chặt trong áo trục bằng gang đặc biệt. Khi đúc người ta phải tạo ra mạng kết tinh lớn để mặt gang nhám kéo mía dễ. Mặt vỏ trục được xẻ nhiều rãnh quanh trục để kéo mía tốt hơn tạo thuận lợi cho bộ ép sau. Thường dùng phổ biến nhất là loại răng có tiết diện hình tam giác. Ở các trục trước và trục sau để thoát nước mía nhanh ta tiện thêm những rãnh sâu 25 mm và rộng khoảng 5 mm, khoảng 4 răng tiện một rãnh đối với trục trước và 6 răng đối trục sau. - Bộ gối đỡ trục và bộ điều chỉnh vị trí lắp trục. Hầu hết không sử dụng đỡ trục bằng bi mà dùng các gối đỡ có đường dẫn nước làm nguội và được lót bằng vòng lót kim loại mềm (Cu), có rãnh dẫn dầu bôi trơn thường xuyên. - Bộ phận nén trục đỉnh: được gọi là bình tụ sức tạo ra lực nén trên trục đỉnh, tăng khả năng lấy nước mía. Thường dùng thiết bị nén bằng khí, diện tích đặt thiết bị nhỏ, tác dung tăng dễ dàng, điều chỉnh lực khí nén nhanh, có thể lập tức xả van khí nén khi mía vào trục ép khó khăn để giảm lực nén, mía đi qua trục dễ dàng. Hình 14: Thiết bị nén bằng khí - Tấm dẫn mía (lược đáy) và các lược khác. Được lắp trên giá máy nằm giữa hai trục dưới. Mía ép từ miệng trước được chuyển sang miệng sau nhờ tấn dẫn mía. Tâm dẫn mía phải dày, vì nó phải chịu một lực nén nhất định và có độ cong mặt lược thích hợp để dẫn mía dễ dàng. Khi làm việc, tấm dẫn mía chịu tác dụng của hai lực: một lực đẩy của mía vào và một lực nén từ trên trục đỉnh xuống. Bởi vậy khi xác định hình dáng mặt lược người ta phải xác định phương của tổng hợp của hai lực trên. Thông số : Lực nén của máy ép : Trước đây và ngay cả hiện nay ở các xí nghiệp làn đường bán cơ giới, các trục ép khi làm việc không tự thay đổi được vị trí. Trong quá trình làm việc, lớp mía vào lúc dày lúc mỏng. Lúc dày mía được ép kiệt, công suất động cơ kéo máy tăng cao; nhưng lúc mỏng mía không được ép kiệt, công suất động cơ kéo máy lại giảm thấp. Do đó, hiệu suất ép không cao, các động cơ làm việc không ổn định công suất, gây lãng phí vốn đầu tư và dễ có sự cố trong sản xuất. Để khắc phục nhược điểm trên, hiện nay trong các máy ép hai hoặc ba trục, trục đỉnh đều được thiết kế có thể tự nâng lên hạ xuống được tuỳ thuộc lớp mía. Nhưng để lớp mía được ép với một lực nhất định, trên trục đỉnh người ta lắp các bộ phận tăng lực nén. Khi làm việc dưới tác dụng của bộ phận tăng lực nén, trục đỉnh tác dụng lên lớp bã mía một lực. Lực đó được biểu thị bằng quan hệ sau : P = k.L.D Trong đó : P: tổng lực nén (N). k: hệ số. L: chiều dài trục nén (m). D: đường kính trục ép (m). Với cách biểu thị trên, công thức này không thể hiện được ý nghĩa thực tế. Khi làm việc lớp bã chịu một áp suất rất lớn do tổng lực nén P chỉ phân bố trên một bề mặt có chiều dài L và chiều rộng bằng D/10. Vì vậy, lực nén trên đơn vị diện tích của máy ép được xác định theo quan hệ : p = Trong đó : p: áp suất (N/m2). P: Tổng lực nén trên đỉnh trục (N). L: chiều dài trục ép (m). D: đường kính trục ép (m). Quan hệ giữa lực nén và hiệu suất ép: khi tăng lực nén, hiệu suất ép tăng. Theo thực nghiệm lực nén tăng từ 0 đến 148.105 N/m2 hiệu suất ép tăng nhanh, khi tăng đến trên 148.105 N/m2 hiệu suất ép tăng nhưng chậm. Chọn và phân phối lực nén của dàn ép: chọn lực nén của dàn ép thường phải căn cứ vào những điểm sau: - Số lượng máy ép trong dàn ép, số máy ép nhiều có thể hạ thấp lực nén. - Công suất kéo của motor hoặc máy hơi nước, công suất cao cho phép sử dụng lực nén cao. - Sự bền vững của các bộ phận trong máy ép. - Đặc điềm của nguyên liệu: mía nhiều xơ cần dùng lực nén cao mới đạt được hiệu suất cao . Nếu thiết bị tốt, ở máy ép dập có thể dùng tới 148.105 N/m2 và các máy ép kiệt có thể dùng tới 296.105 N/m2. Hiên nay có nhiều quan điểm khác nhau về việc phân phối lực nén trên các máy ép: - Dùng lực nén tăng dần từ bộ đầu đến bộ cuối, hiệu suất ép đạt cao. - Dùng lực nén giảm dần, khắc phục được nhược điểm trên. - Dùng lực nén như nhau. Nhưng nói chung hiên nay hầu hết các nhà máy đều dùng lực nén tăng dần . Sự phân phối lực nén ở một số nhà máy (105 N/m2) Nhà máy Máy dập Máy I Máy II Máy III Máy IV Philipin(hệ máy ép 15 trục) 212.87 230.535 235.27 269.77 272.71 Quảng Đông 151.07 245.25 247.21 254.09 - Ha Oai 112.81 241.32 243.38 255.06 261.97 Tốc độ của máy ép : Tốc độ máy ép trong công nghiệp biểu thị dưới hai loại: - Tốc độ thẳng, ký hiệu V, đơn vị m/ph. - Tốc độ vòng quay, ký hiệu ω, đon vị vòng/ph . Hai loại công thức này có thể chuyển đổi theo công thức : V = p. D.ω . Trong đó : D: đường kính trục ép. Hiện nay cũng có những vấn đề sau : - Tốc độ nhanh ép lớp mía mỏng. Lực nén xuống đều, trở lực nhỏ, nước mía ít bị bã hút trở lại, nước thẩm thấu phun vào được thấm đều. - Tốc độ chậm, lớp mía dày. Tốc độ chậm, thiết bị lâu mòn, công suất tiêu hao ít. Nhưng về mặt công nghệ học có nhược điểm là sự phân bố lực nén không đều, bã mía dễ hút nước mía trở lại do đó ảnh hưởng đến hiệu suất ép. Với hai quan điểm trên có một số nhà máy dùng tốc độ máy ép tăng dần từ máy đầu đến máy cuối, một số nhà máy khác dùng tốc độ chậm dần từ máy đầu đến máy cuối. 2. Lọc: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men. Tách cặn còn lại trong nước mía sau khi ép. Thiết bị: thiết bị lọc khung bản . 3. Chuẩn bị môi trường : Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men. Biến đổi: + Hóa học: Thay đổỉ hàm lượng các chất dinh dưỡng, pH tăng. + Các chỉ tiêu còn lại biến đổi không đáng kể. Phương pháp thực hiện: Môi trường lên men là môi trường nước mía có bổ sung dưỡng chất, khoáng và các yếu tố cần thiết cho vi khuẩn sống. Pha loãng: nước mía sau khi đã được loại bỏ tạp chất được đem pha loãng với hàm lượng đường ban đầu khoảng 17%. Chỉnh pH: pH của môi trường lên men ban đầu là 7, đó là pH tối kích cho L.mesenteroides tăng sinh trong giai đoạn đầu của quá trình lên men. Bổ sung nguồn khoáng: Môi trường cần được bổ sung muối phosphat, muối amon và ion Mg2+, các loại khoáng này có ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc của dextran. K2HPO4 0.2% MgSO4 0.02% MnSO4 0.001% FeSO4 0.001% NaCl 0.001% CaCl2 0.005% Bổ sung các chất dinh dưỡng khác: Dịch chiết nấm men 0.5% Peptone 0.5% Và một số các chất vi lượng khác: Histidin, Thiamin, Biotin, acid panthothenic, acid nicotinic, amino acid valine, glutamic acid . Ảnh hưởng của môi trường đến sản phẩm dextran tạo thành: Môi trường: Việc lựa chọn môi trường hợp lý và duy trì những thành phần dinh dưỡng trong quá trình lên men, chẳng hạn như amino axit, vitamin, và các nguyên tố khoáng là hết sức quan trọng. Bởi vì nó sẽ ành hưởng tốc độ phát triển của vi khuẩn và sản lượng dextran tạo thành. Việc trung hòa định kỳ môi tường lên men sẽ làm tăng sản lượng dextran có phân tử lượng lớn vì khả năng sinh tổng hợp enzym của vi khuẩn đạt giá trị lớn nhất là 6.5-7.2. Sự giảm độ nhớt của dextran trong môi trường nuôi cấy là do sự xuất hiện của các enzym nội bào không bền nhiệt. Các enzym này xuất hiện khi tế bào Leuconostoc bị chết và phân hủy . Nhiệt độ thích hợp của môi trường nuôi cấy cho sự hình thành các enzym nội bào là từ 200C đến 300C. CaCl2 không ảnh hưởng tới sinh khối của vi khuẩn nhưng ảnh hưởng đến lượng dextransaccharase tạo thành và hoạt tính của enzym trong quá trình lên men. Sau đây là sơ đồ cho thấy ảnh hưởng của CaCl2 với lượng dùng là 0.05% lên sự tạo thành dextransaccharase. Biểu đồ 1: Ảnh hưởng của CaCl2 đến sự tạo thành enzym dextransaccharase K2HPO4 đóng vai trò như nguồn dinh dưỡng, tuy nhiên nếu cho nhiều K2HPO4 quá sẽ làm giảm lượng Ca++ có trong môi trường. Nồng độ cơ chất : Nồng độ cơ chất ảnh hưởng đến sản lượng và trạng thái dextran tạo thành. Rất ít dextran được tạo thành khi nồng độ cơ chất nhỏ hơn 2%. Việc tăng nồng độ saccharose ít ảnh hưởng đến sản lượng dextran tạo thành, nhưng ảnh hưởng đến khối lượng phân tử dextran tạo thành. Trong khi đó việc tăng nồng độ glucose và NaCl sẽ làm tăng sản lượng và ít ảnh hưởng đến lượng dextran tạo thành. Nồng độ saccharose càng cao thì khối lượng phân tử dextran tạo thành càng thấp, hay số lượng dextran cao phân tử tạo thành càng thấp, dextran với khối lượng phân tử thấp càng tăng, độ nhớt càng giảm. Khi ở nồng độ đường 30%, tỉ lệ giữa liên kết 1,6 và các liên kết nhánh không phải 1,6 là 29 trong khi tại nồng độ đường 5% thì tỉ lệ là 8.5. Bảng 3: Ảnh hưởng của nồng độ đường saccharose lên sản lượng dextran của giống L.mesenteroides NRRL B-512F Nồng độ Succharose (g/100ml) Sản lượng dextran (g/100 ml) Độ nhớt (cp) 5 1.7 4.73 10 4.08 22.03 20 5.46 31.89 30 5.45 27.59 40 4.46 24 50 3.12 18.59 Nếu các dextran trọng lượng phân tử thấp được đưa vào làm mồi thì enzyme sẽ có nhiều điểm khởi đầu và các polymer tương đối đồng nhất sẽ được tạo thành. Điều quan trọng là các tế bào vi khuẩn không được chứa các vết của các dextran có trọng lượng phân tử cao. Vì vậy nguyên liệu cấy phải được rửa vài lần bằng dung dịch muối để loại các dextran bám vào. Khi nồng độ đường >20-25% thì sự tạo thành dextran xảy ra yếu do vi khuẩn không thể phát triên tốt trong môi trường có áp suất thẩm thấu cao. 4. Thanh trùng: Mục đích: chuẩn bị. Thanh trùng là để tiêu diệt các vi sinh vật khác bị nhiễm vào trong môi trường lên men. Ta không thể tiệt trùng vì quá trình tiệt trùng làm phân huỷ các chất dinh dưỡng có trong môi trường lên men. Ta cũng không thể tiệt trùng nước mía trước rồi mới bổ sung dưỡng chất vào môi trường lên men vì một số dưỡng chất có sẵn trong nước mía dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và nguy cơ tái nhiễm vi sinh vật là rất cao trong quá trình bổ sung dưỡng chất. Biến đổi: + Vi sinh: Vi sinh vật bị tiêu diệt hoặc ức chế. + Vật lý: Nhiệt độ tăng. + Hóa học: Một số chất dinh dưỡng bị mất. + Hóa lý: Độ hòa tan tăng. + Hóa sinh: Một số enzym bị ức chế. Thiết bị: để thanh trùng môi trường nước mía ta dùng hệ thống máy thanh trùng và làm nguội dạng bản mỏng. Cơ chế: Lưu chất môi trường đi vào thiết bị bên trong bản mỏng theo một đường ống, hơi nước đi vào thiết bị theo một đường ống khác. Hơi nước và dịch môi trường qua các bản mỏng khác nhau và thực hiện trao đổi nhiệt với nhau. Các bản mỏng có vách ngăn đặc biệt chỉ cho một loại lưu chất đi qua bản. Bản mỏng có bề mặt gợn sóng làm tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt và tạo chế độ chảy rối để tăng tốc độ truyền nhiệt. Hình 15: Sơ đồ cấu tạo thiết bị truyền nhiệt bản mỏng Hình 16: Nguyên lý làm việc của thiết bị bản mỏng Hình 17: Thiết bị truyền nhiệt bản mỏng thực tế Thông số: Môi trường lên men sau khi đã được chỉnh pH và pha trộn các chất dinh dưỡng, khoáng theo tỉ lệ thích hợp cho quá trình lên men được đem thanh trùng ở 70-75oC, sau đó được làm nguội về 30oC là nhiệt độ tối ưu nhất vi khuẩn phát triển tăng sinh trong giai đoạn đầu của quá trình lên men. Sau khi thanh trùng môi trường được làm nguội đến 30oC và được đưa thẳng vào bồn lên men. 5. Nhân giống: Mục đích: Chuẩn bị giống cho quá trình lên men. Phương pháp thực hiện: Chuẩn bị cấy chuyền: Canh trường vi khuẩn được chuẩn bị bằng cách cấy 1 ống giống vi khuẩn vào môi trường tiệt trùng. Canh trường được lắc cơ học trong 24 giờ ở 250C. Sau đó thực hiện các bước nhân giống (môi trường được đảo trộn 100 v/ph). Mỗi cấp nhân giống được thực hiện trong 14-16 giờ (vẫn tại nhiệt độ 250). Đến khi đủ số lượng giống cần thiết, cho vào bình lên men. Khi sử dụng thời gian cấy chuyền là 24 giờ, môi trường lên men có giá trị nhớt cực đại cao (dextran A trong bảng sau). Nếu sử dụng thời gian cấy truyền là 36 tới 48 giờ (như đối với dextran D và B) thì giá trị độ nhớt cực đại sẽ thấp hơn Bảng 4: Dữ liệu về các loại dextran thu đươc từ các môi trường nghiên cứu Dextran Độ nhớt tuyệt đối của môi trường (cp) Tính chất của dextran tinh khiết Hàm lượng (%) N (%) P (%) Độ nhớt tương đối tại 250, nồng độ 0.5% trong nước [α] A 446 25.3 0.017 0.005 2.253 +203 B 73 24.7 0.033 0.008 2.003 +201 C 5 22.2 0.022 0.011 1.414 +199 D 203 23.7 0.032 0.007 2.133 E 10 21.6 0.010 0.004 1.565 +200 F 14 <14.7 1.855 +200 G 847 24.0 0.000 <0.002 1.719 +202 6. Rửa: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men. Giống vi khuẩn qua nhân giống thu được sinh khối để lên men không được chứa vết của các dextran có trọng lượng phân tử cao. Nguyên nhân là các dextran có trọng lượng phân tử cao xuất hiện trong môi trường lên men sẽ tạo mầm cho quá trình tổng hợp dextran cao phân tử, ảnh hưởng tới sự điều khiển quá trình lên men tạo dextran có trọng lượng phân tử thấp, đồng nhất và theo mục đích sử dụng của nhà sản xuất. Do đó cần rửa sạch dextran đã tạo thành trong quá trình nhân giống. Biến đổi: + Hóa học: Loại bỏ dextran trong môi trường nuôi cấy. + Hóa lý: Độ nhớt giảm. Phương pháp: có thể dùng dịch nước muối rửa để làm sạch dextran bám vào tế bào. 7. Lên men: Mục đích: Chế biến chuyển hóa đường thành dextran . Biến đổi: - Sinh học: Vi khuẩn sinh trưởng, trao đổi chất với môi trường, tăng sinh khối. - Hóa học: + pH môi trường giảm. + Hàm lượng cơ chất, chất dinh dưỡng giảm. - Hóa sinh: Phản ứng tạo thành dextran do enzym xúc tác. - Hóa lý : Sự đông tụ của các hợp chất keo. - Vật lý : Sự tỏa nhiệt, tăng nhiệt độ môi trường. Phương pháp thực hiện: Cấy giống: Lượng giống cấy vào môi trường có tỉ lệ phối trộn của môi trường nuôi cấy với môi trường là 5% (v/v) theo thể tích của môi trường. Cách cấy giống: bơm môi trường nước mía từ thiết bị làm lạnh vào bồn lên men và châm canh trường nuôi cấy vào. Trong quá trình bơm môi trường nước mía vào bồn lên men ta kết hợp nạp một lượng nhỏ oxy vào môi trường lên men để cung cấp nguồn khí oxy ban đầu cho vi khuẩn phát triển. Bổ sung “mầm” dextran: Trong quá trinh lên men ta bổ sung “mầm” dextran là những mạch dextran có phân tử lượng thấp, đã biết rõ phân tử lượng để tạo ra các sản phẩm có phân tử lượng mong muốn. Nếu các dextran trọng lượng phân tử thấp được đưa vào làm mồi thì enzyme sẽ có nhiều điểm khởi đầu và các polymer tương đối đồng nhất sẽ được tạo thành. Theo dõi quá trình: Nhiệt độ, pH, nồng độ chất khô được theo dõi và điều chỉnh suốt quá trình lên men nhờ hệ thống máy tính quan sát và đo nhiệt độ, pH bởi các đầu dò nhiệt độ kết hợp với thiết bị gia nhiệt vỏ áo và hệ thống chỉnh pH (bồn chứa acid và bazơ) của bồn lên men. Ban đầu môi trường lên men được chỉnh về pH 7.0 và giữ ở 300C giúp cho quá trình sinh trưởng của vi khuẩn trong khoảng 5 giờ. Khi vi khuẩn đã đạt tới pha ổn định, quá trình lên men được tiến hành ở 25oC, pH 6.5-7.2 để tạo điều kiện cho L.mesenteroides tổng hợp enzym dextransaccharase. Trong quá trình này, chủ yếu do sự tạo thành acid lactic, giá trị pH giảm từ 6.5-7.2 xuống còn 5.5. Sau đó gia nhiệt môi trường lên 30oC để tạo nhiệt độ tối ưu cho enzym hoạt động. Dung dịch lên men được khuấy liên tục và thông khí 0.5lit/phút trong suốt quá trình lên men. Thời gian lên men từ 24-48h. Khi dextran được tạo thành, dung dịch trở nên đậm đặc cho đến khi quá trình kết thúc sau 1 hay 2 ngày, một khối dạng keo sẽ được tạo thành. Quá trình lên men được kết thúc bằng cách đo độ nhớt cực đại của môi trường lên men. Dịch lên men chứa chủ yếu là dextran, fructose tự do, acid lactic, etanol và các vi sinh vật. Thiết bị: pH Chỉnh acid hoặc base Vỏ áo Lọc khí Bộ phận thêm môi trường Chất phá bọt Sục khí dạng mâm Inoculum Đo nhiệt độ Hơi Hơi Môi trường Lọc khí Hình 18: Bồn lên men Các yếu tố ảnh hưởng: pH: Nghiên cứu cho thấy sự tổng hợp dextran tốt nhất tại pHopt =5.2, đó cũng là pH tối thích của enzym dextransaccharase. Trong thực tế hoạt tính của enzym dao động trong khoảng pH từ 5-6.5. Tính ổn định của enzym còn phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng khác trong môi trường lên men. Trong suốt quá trình lên men, pH giảm từ giá trị ban đầu 7 xuống 4.1 do lượng acid hữu cơ sinh ra. Tại pH=4.1 cũng là pI của enzym. Nghiên cứu còn cho thấy sự tổng hợp enzym dextransaccharase tốt nhất tại pH trung tính dao động trong khoảng 6.5-7.2 và ở nhiệt độ khoảng 25oC tuỳ giống L.mesenteroides. Đây cũng là điểm đặc biệt của enzym này và là đặc điểm quan trọng cần chú ý trong quy trình công nghệ sản xuất dextran cũng như enzym dextransaccharase. Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến nhiều yếu tố trong quá trình lên men: Sản lượng dextran, tốc độ tạo thành, cấu trúc và khối lượng phân tử của dextran. Sự tổng hợp dextran cao phân tử giảm khi nhiệt độ thấp (25-5oC) song song với việc tăng tổng hợp dextran có khối lượng phân tử thấp tăng nhưng sản lượng không hề thay đổi. Bảng 5 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khối lượng phân tử của sản phẩm Temp. °C Total dextran % Low MW % High MW % 30 45.9 21.2 24.7 15 47.4 43.4 4.0 4 47.2 45.9 1.3 Tại giá trị nhiệt độ khoảng 25oC thì tốc độ sinh tổng hợp enzym dextransaccharase tốt nhất trong khi nhiệt độ tối ưu cho quá trình tổng hợp dextran là 30oC. Nghiên cứu cho thấy tốc độ phản ứng của enzym tại 30oC gấp 10 lần ở 0oC, và thời gian cần thiết để hoàn tất quá trình lên men ở 15oC gấp hai lần thời gian ở 30oC. Trong thực tế nhiệt độ lên men khoảng 25oC, dextran thu được sau 24-48h. Khi nhiệt độ vượt quá 35oC thì sản lượng dextran còn thấp hơn cả ở 25oC do enzym không bền ở nhiệt độ trên 32oC. Biểu đồ 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt tính dextransaccharose của giống L.mesenteroides NRRL B-512F Nhiệt độ còn ảnh hưởng tới tốc độ phát triển của L.mesenteroides, loại vi khuẩn này phát triển tối ưu tại 30oC, nếu nhiệt độ cao quá hay thấp quá cũng ảnh hưởng tới sự sống và phát triển của chúng. Biểu đồ 3: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự phát triển của giống L.mesenteroides NRRL B-512F Thời gian lên men: Ban đầu, lượng dextran sẽ tăng dần theo thời gian, đến một khoảng thời gian nhất định thì lượng dextran tạo thành sẽ đạt cực đại, thời gian lên men đạt kết quả tối ưu là 24-48h. Sau 24-48 h lên men (tùy giống L.mesenteroies), lượng dextran tạo thành sẽ giảm dần. Nguyên nhân là do quá trình phát triển của vi khuẩn có nhiều giai đoạn khác nhau, trong đó lượng dextran đạt cực đại ở pha logarit và giảm dần trong pha suy vong. Do đó trong quá trình sản xuất dextran ta phải xác định thời gian lên men để lượng dextran tạo thành cực đại, tùy giống L.mesenteroies mà ta xác định thời gian lên men bằng thực nghiệm. Khi tăng thời gian lên men thì xuất hiện hiên tượng giảm khối lượng phân tử. Nghiên cứu cho thấy nếu tiếp tục lên men trong 273h thì khối lượng phân tử dextran là 8.6 triệu đơn vị glucose thay vì 39 triệu đơn vị glucose khi lên men trong 24h. Độ nhớt môi trường giảm sau 50h lên men. Hệ đệm và sự thông khí: Sự thông khí là một điều kiện bất lợi đối với việc lên men dextran. Các kết quả về pH và độ nhớt trong môi trường thông khí được trình bày trong bảng b và đặc điểm của loại dextran F phân lập từ môi trường này được trình bày trong bảng a. So sánh giữa hai kết quả thu được từ hai môi trường có thông khí và không thông khí cho thấy sự thông khí làm giảm tốc độ lên men, hàm lượng và độ nhớt của sản phẩm đồng thời không giúp ngăn ngừa môi trường trải qua giai đoạn có độ nhớt cao cực đại. Bảng 6: Dữ liệu về các loại dextran thu đươc từ các môi trường nghiên cứu Dextran Độ nhớt tuyệt đối của môi trường (cp) Tính chất của dextran tinh khiết Hàm lượng (%) N (%) P (%) Độ nhớt tương đối tại 250C, nồng độ 0.5% trong nước [α] A 446 25.3 0.017 0.005 2.253 +203 B 73 24.7 0.033 0.008 2.003 +201 C 5 22.2 0.022 0.011 1.414 +199 D 203 23.7 0.032 0.007 2.133 E 10 21.6 0.010 0.004 1.565 +200 F 14 <14.7 1.855 +200 G 847 24.0 0.000 <0.002 1.719 +202 Độ nhớt tương đối trong dung dịch 0.1M Ca(CH3COO)2 của dextran A, C và G lần lượt là 2.235, 1.405 và 1.683. Trong dung dịch 1M Ca(CH3COO)2 độ nhớt của dextran A là 2.298 Bảng 7: Tác động của việc thông khí tới pH và độ nhờt của môi trường lên men Tiến hành Thời gian nuôi cấy (giờ) pH Độ nhớt tuyệt đối(cp) Bắt đầu sục khí Dừng sục khí Phân lập dextran F 0 23.5 32 47.5 55 7.5 5.2 4.7 4.4 4.3 2 5 12 16 14 Khi sử dụng hệ đệm CaCO3 , pH của môi trường vào khoảng 6.4 – 7.0, môi trường đạt độ nhớt cực đại sau khoảng 48 đến 56 giờ và sau đó giảm nhanh chóng. Loại dextran G trong bảng a được phân lập từ môi trường này tại thời điểm độ nhớt cực đại. So sánh các kết quả với khi không sử dụng hệ đệm cho thấy hệ đệm có tác dụng làm tăng độ nhớt của môi trường, không làm tăng lượng dextran thu được. Môi trường thông khí và sử dụng hệ đệm CaCO3 không trải qua giai đoạn độ nhớt cực đại. Độ nhớt môi trường tăng chậm trong vòng 30 ngày. Trong những điều kiện đó, tốc độ lên men giảm so với khi lên men yếm khí. 8. Kết tủa lần 1: Mục đích: Khai thác. Sau khi lên men thu dung dịch dạng keo chứa dextran, ta tháo sản phẩm ra và cho cho ethanol lạnh vào để tiến hành quá trình kết tủa sơ bộ dextran. Biến đổi: - Hóa lý: Sự kết tủa và tách pha của dextran. - Hóa học: Hàm lượng dextran hòa tan trong dung dịch giảm. - Vi sinh: Vi sinh vật bị tiêu diệt hoặc ức chế. Thiết bị: Bình khuấy. 9. Ly tâm : Mục đích: Khai thác. Biến đổi: - Hóa học: Hàm lượng ẩm khối dextran giảm. - Vi sinh: Tách vi sinh vật. Phương pháp thực hiện: Dịch lên men sau khi kết tủa bằng ethanol lạnh sẽ được bơm vào thiết bị ly tâm. Phần nước trên bề mặt sẽ được vớt ra bao gồm vi sinh vật, cơ chất sót và những chất cặn khác. Ethanol cũng là chất tiêu diệt vi khuẩn gram âm rất hiệu quả nên không cần thanh trùng dịch lên men. Thiết bi: Sử dụng thiết bị lắng ly tâm. Lắng ly tâm dựa trên việc áp dụng các cơn lốc ly tâm để phân riêng các phần tử và chất lỏng có kích thước và nồng độ khác nhau. Ống trụ, nón và đĩa ly tâm được sử dụng trong phân riêng các phần tử và chất lỏng có nồng độ khác nhau. Các trụ đứng trữ các chất lỏng sạch và cặn ướt trong khi hệ thống côn (nón) cung cấp cặn khô và các chất lỏng đục màu. Hệ thống trụ và côn được kết hợp hiệu quả trong hệ thống ly tâm liên tục. Các thiết bị ly tâm trụ hay ống (bowl) được sử dụng trong chế biến dầu ăn, trong gạn lọc nước trái cây hay rau quả và sirô đường. Đĩa ly tâm bao gồm một đĩa (bowl) rộng 20 – 50 cm với 1 chuỗi đĩa côn. Các đĩa có lỗ được dùng để làm dễ dàng hơn việc phân riêng bằng phương pháp ly tâm các chất lỏng có tỉ trọng khác nhau. Các chất lỏng được nhập vào phối trộn tại trung tâm của đĩa (bowl) và chúng được phân riêng bằng lốc ly tâm cuốn vào dòng chất lỏng trong và nặng hơn để được tách ra bằng hệ thống ống dẫn đặc biệt. Việc tháo sản phẩm sau ly tâm được thực hiện khi một lượng đáng kể các phần tử rắn lắng xuống trong môi trường ly tâm. Hình 19: Sơ đồ hoạt động thiết bị ly tâm Thông số công nghệ : Quá trình này được thực hiện liên tục với vận tốc li tâm 10000rpm, ở 4oC trong 15 phút ta sẽ thu được dextran có chất lượng tương đối tốt. 10. Lọc và thuỷ phân dextran: Mục đích: Hoàn thiện . Dextran sau khi kết lắng lần đầu vẫn còn có nhiều tạp chất và tế bào L.mesenteroides trong đó, cần lọc tinh lại lần thứ nhì để đạt yêu cầu chất lượng sản phẩm. Biến đổi: - Vi sinh: Số lượng vi sinh vật giảm. - Hóa học: Giảm lượng tạp chất. Phương pháp: Hòa tan dextran sau quá trình ly tâm trong nước đến nồng độ 5%. Sử dụng than hoạt tính: than hoạt tính được thêm vào dung dịch 5% dextran thô trong nước, khuấy đều Dung dịch đươc lọc bằng thiết bị lọc Berkefeld và sau đó dextran sẽ được kết lắng. Thiết bị: Thiết bị lọc Hình 20:Thiết bị lọc ở áp suất thường 11. Tái kết tủa làm sạch: Mục đích: Hoàn thiện. Biến đổi: tương tự như kết tủa lần một. Phương pháp thực hiện: Sau khi lọc và thuỷ phân dextran đạt được kích thước theo yêu cầu sử dụng, ta tái kết tủa dextran bằng ethanol lạnh. Dung dịch dextran thu được lúc này rất tinh khiết và không cần phải kết lắng bằng thiết bị li tâm. 12. Hòa tan trong nước: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình sấy phun. Dextran được hòa tan trong nước nhằm làm giảm độ nhớt, và đồng hóa dung dịch dextran. Thiết bị: Bình khuấy . 13. Sấy phun: Mục đích: Khai thác, bảo quản .Tạo dextran thành phẩm dạng bột mịn để bán ra thị trường. Biến đổi: - Vật lý: nhiệt độ tăng. - Hóa lý: sự bốc hơi nước, sự hình thành sản phẩm. - Hóa sinh: Vô hoạt các eznym. - Sinh học: tiêu diệt vi sinh vật. Phương pháp: Dextran sau khi được hòa tan trong nước, được bơm vào thiết bị sấy phun trong điều kiện chân không ở 300C và thu được dextran ở dạng bột min. Thiết bị: Các máy sấy phun được sử dụng trong các xí nghiệp vi sinh, cho phép tiến hành quá trình ở các chế độ tương đối mềm để loại trừ những tổn thất lớn các chất hoạt hoá sinh học. Dung dịch đem sấy chảy qua đĩa có đầu phun với số vòng quay lớn, nhờ đó các tiểu phần chất lỏng biến thành những hạt rất nhỏ (sương mù) và bề mặt hoạt hoá của chất lỏng được tăng lên. Phòng dùng để sấy được chế tạo bằng loại thép không rỉ. Chúng có thể có đáy phẳng hay đáy nón. Loại đáy phẳng phải có cơ cấu để tháo sản phẩm khô. Còn loại đáy hình nón thì thành phẩm ở dạng bột được đẩy ra dưới tác động của lực ly tâm. Nhanh chóng trong quá trình sấy, nhiệt độ của vật liệu sấy thấp, sản phẩm nhận được ở dạng bột nhỏ không cần phải nghiền lại và có độ hoà tan lớn, đó là những ưu việc của máy sấy phun. Vì sấy quá nhanh, nhiệt độ của vật liệu trong suốt chu kỳ sấy không vượt quá nhiệt độ của ẩm bốc hơi (60 ÷ 700C) và thấp hơn nhiều so với nhiệt độ của tác nhân sấy. Máy sấy phun có đáy hình nón: Máy sấy gồm: Vỏ trụ 9 có đáy hình nón để tháo bột khô. Dung dịch đẩy vào sấy bị phun ra nhờ cơ cấu ly tâm 13 có đĩa 10. Tác nhân sấy đưa vào phần trên của thiết bị theo ống dẫn 7. Ở cuối ống dẫn 7 lắp cơ cấu phun hình nón 8. Nhờ cơ cấu 8, tạo ra dòng xoáy của khí đưa vào. Các giọt sản phẩm được phun bằng đĩa bị bao phủ bởi dòng không khí và chuyển xuống dưới. Hình 21: Máy sấy phun đáy hình nón Ẩm được bốc hơi, các phần tử bột nhỏ còn lại lắng xuống ở đáy hình nón và tháo đến cơ cấu 1 để chuyển sản phẩm vào hệ băng tải khí động học. Để tẩy sạch các tiểu phần của sản phẩm bám trên tường, lắp máy rung 17. Tác nhân sấy bị thải có mang theo các tiểu phần nhỏ của sản phẩm ra khỏi thiết bị sấy qua ống dẫn 2 vào cyclon để tách bột. Để khảo sát bên trong, có xe nâng 4, nguồn chiếu sáng 6 và cửa 5. Tấm ngăn máy sấy 11 có các van bảo hiểm ở dạng các đĩa chồng nhau và dạng đường ống 12 để xả khí sấy khi tăng áp suất đáng kể. Đĩa phun 10 quay với tốc độ 10000 vòng/phút từ động cơ qua hộp giảm tốc. Để bôi trơn cơ cấu phun, ở phần trên của thiết bị có lắp cơ cấu cơ học và bộ lọc mỡ 14. Vô lăng điện 15 dùng để nâng cơ cấu phun. Để tránh cháy sản phẩm trong máy sấy, người ta đặt các cơ cấu bảo hiểm 3 và 18. Máy sấy có thể đặt trong phòng kín hay ngoài trời. Hình 22 chỉ hệ thống sấy phun tổ hợp. Bộ sấy gồm thùng chứa dung dịch chất lỏng canh trường 2, các bơm ly tâm 3 và 9, thiết bị lọc khí 1, phòng sấy 4, cơ cấu tháo dỡ để đẩy bột khô vào băng tải khí động 10, các bộ lọc vi khuẩn 7, quạt hai chiều 6, calorife 8, thùng chứa sản phẩm khô 12, các bộ lắng bằng xyclon 11, bộ tháo dỡ xyclon 13, bộ lọc không khí 5 để đẩy vào calorife 8. Hình 22: Hệ thống sấy phun tổ hợp Đối với dạng máy sấy này, nhiệt độ tác nhân sấy khi vào máy được điều chỉnh trong giới hạn 135 ÷ 3900C, khi ra 60 ÷ 1000C. Năng suất tính theo ẩm bốc hơi 500 ÷ 1000 kg/h. 14. Chưng cất: Mục đích: Khai thác. Dịch thu được sau quá trình thuỷ phân được đưa vào hệ thống chưng cất thu hồi ethanol để chuẩn bị cho quá trình kết lắng trong lần lên men kế tiếp. Thiết bị: Tháp chưng cất. Hình 23: Sơ đồ tháp chưng cất 15. Đóng gói sản phẩm: Dextran 40, 60, 70 là loại dextran thành phẩm có độ dài mạch là 40000, 60000, 70000 Da, thường được bao gói thành phẩm với khối lượng thương mại như sau: Bảng 8: Một số đơn vị sản phẩm trên thị trường Khối lượng Mô tả 100 g Hộp chứa dextran, DMF loại III 500 g Hộp chứa dextran, DMF loại III 5 kg Hộp chứa dextran. Bột dextran được bảo quản kín bên trong bao PE kép 50 kg Hộp chứa dextran. Bột dextran được bảo quản kín bên trong bao PE kép. IV. SẢN PHẨM: 1. Tính chất dextran: a. Tính hoà tan: Dextran dễ dàng tan trong H2O và tạo thành dung dịch trong suốt bền vững. pH không có tác động đến khả năng hoà tan của dextran. Có thể hoà tan tới nồng độ 50% w/v. Ngoài ra dextran còn có thể tan trong 1 số dung môi khác như metyl sulfide, formandehit, ethylene glycon và glycerol. Dextran không tan trong dung môi rượu đơn chức như methanol, ethanol… và hầu hết các keton. b. Độ nhớt của dung dịch dextran: Vì dextran là 1 polysaccharide trung tính nên độ nhớt của dung dịch ít bị ảnh hưởng của pH hay nồng độ muối. Biểu đồ 4: Thể hiện sự quan hệ giữa nồng độ dextran và độ nhớt của dung dịch 2. Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm: a. Chỉ tiêu vật lý: Khối lượng phân tử phải đồng nhất và đúng theo từng loại sản phẩm : tùy theo mục đích sử dụng mà có các chỉ tiêu sản phẩm khác nhau: Dextran 40: có khối lượng phân tử là 40000 Da, được dùng để thay thế huyết tương. Dextran 60: có khối lượng phân tử là 60000 Da, được dùng trong huyết tương và trong chữa bệnh đau mắt. Dextran 70: có khối lượng phân tử là 70000 Da, là thành phần của Active Pharmaceutical Ingredient (API) được dùng trong 14 nước châu Âu để chữa bệnh mất máu do chấn thương. b. Hoá học: Độ tinh khiết cao. pH dung dịch khi hoà tan trong nước ở bất kỳ nồng độ nào : 4.5 – 7.0. c. Hoá lý: Độ nhớt của dextran thay đổi tuỳ thuộc độ dài mạch dextran khác nhau và tuỳ theo yêu cầu của từng loại sản phẩm. d. Sinh học: Không được có độc tính. e. Cảm quan: Màu: bột trắng Mùi: Không mùi V. BÀI BÁO KHOA HỌC VÀ THÀNH TỰU CÔNG NGHÊ: 1. Các nghiên cứu khoa học: a. Sản xuất dextran có độ nhớt cao: Các nghiên cứu cho thấy độ nhớt của dextran sản xuất từ chủng Leuconostoc mesenteroides NRRL B-512 phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường. Khi kiểm soát các điều kiện môi trường người ta có thể tạo ra sản phẩm dextran có tính nhớt như mong muốn. Quá trình lên men dextran diễn ra song song với sự tăng độ nhớt, sau khoảng 24 giờ độ nhớt đạt cực đại và lúc đó sự lên men dextran diễn ra hoàn toàn. Đi kèm theo những sự thay đổi này là sự giảm pH từ giá trị ban đầu 7.0 xuống còn 4.6 tại thời điểm độ nhớt đạt cực đại. Các loại dextran được phân lập từ môi trường lên men tại thời điểm độ nhớt đạt cực đại được gọi là High Viscosity Dextran. Tính chất riêng của loại dextran là độ nhớt cao, tính quay cực tốt và rất tinh khiết. b. Dextran tự phân: Khi kéo dài thời gian lên men độ nhớt của môi trường nuôi cấy giảm. Bảng 9 cho thấy sự thay đổi của độ nhớt. Ban đầu độ nhớt giảm nhanh sau đó chậm dần. pH giảm dần từ 4.6 xuống còn 3.7 Dextran C và E trong bảng 9 được phân lập từ môi trường lên men đã giảm độ nhớt được gọi là autolyze dextran. Bảng 9: Tác động của việc kéo dài thời gian nuôi cấy ở 250C lên môi trường không đệm pH và nhớt Môi trường lên men BC Môi trường lên men DE thời gian lên men (giờ) pH Độ nhớt tuyệt đối(cp) phần phân lập thời gian lên men (giờ) pH Độ nhớt tuyệt đối(cp) phần phân lập 0 7.5 2 Dextran B* Dextran C 0 7.1 2 Dextran D* Dextran E 23 4.9 60 23 4.6 203 29 4.5 82 27.5 4.4 164 32 4.45 75 32 4.3 131 33 4.4 73 47 4.0 74 72 3.9 43 99 3.85 20 96 3.75 20 145 3.73 15 191 3.7 11 273 3.7 10 335 3.7 7 503 3.7 5 2. Lên men dextran từ dịch chiết carob và đường lactose: a. Nguyên liệu: Carob là một loại cây họ đậu sinh sống ở khu vực Địa Trung Hải và Đông Nam Á, được nuôi trồng ở Địa Trung Hải từ khoảng 4000 năm trước. Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha có khoảng 100000 ha cây carob chiếm 50% sản lượng thế giới. Sản lương quả carob trên thế giới vào khoảng 315 000 tấn. Các khu vực sản xuất chính là Tây Ban Nha (42 %), Ý (16 %), Bồ Đào Nha ( 10%), Ma-rốc ( 8%), Hi lạp (6.5 %), Kypros ( 5.5 %) và Thổ Nhĩ Kỳ (4.8 %) Carob có thế chống chịu hạn hán, dễ trồng và dùng để sản xuất rất nhiều sản phẩm từ hạt và quả. Phần nội nhũ của hát có thể dùng để sản xuất galactomaman - dùng trong ngành công nghiệp dệt và mỹ phẩm. Quả carob là một loại thức ăn dầu năng lượng, sử dụng công công nhiệp thực phẩm để thay thế dừa trong sản xuất các loại xi rô. Quả carob chứa hàm lượng đường cao (45% trong đó trên 30 % là saccharose ), protein 3%, và ít chất béo (0.6 %). Ngoài ra quả carob còn chứa hàm lượng tanin khá cao. Các kết quả nghiên cứu cho thấy lên việc lên men dich chiết từ quả carob có thể cho những sản sản giá trị cao. Tuy nhiên việc sản xuất dextran và fructose từ quả carob vẫn chưa được nghiên cứu sâu và có thể sẽ đem lại những nguồn lợi nhuận không nhỏ. Một nguyên liệu cần thiết khác trong công nghệ lên men dextran hứa hẹn đem lại lợi nhuận lớn đó là đường sữa. Thật vậy, hiện nay thị trường tiêu thụ lactose trên thế giới đang bão hoà. Ngành công nghiệp bơ sữa trên thế giới đang nghiên cứu các loại sản phẩm phụ có chứa hàm lượng lacose cao( vd whey). Lượng lactose dư thừa trên thế giới vào khoảng 550000 tấn/năm.Vì thế công nghệ lên men hứa hẹn đe, đến một tiềm năng kinh tế lớn từ lactose. b. Phương pháp tiến hành: Sử dụng nấm men Leuconostoc mesenterosides NRRL B521. Môi trường lên men: Để kiểm tra sự lên men dextran sử dụng dịch chiết từ quả carob và dịch whey làm chất nền, các thí nghiệm lên men tĩnh được tiến hành với môi trường lên men bao gồm : dịch chiết quả carob (Carob pod extract- CPE) (với hàm lượng saccharose ban đầu 20g/l) với dịch chiết nấm men (4g/l) ( môi trường CPE) và CPE (hàm lượng saccharose 20g/l), dịch chiết nấm men (4g/l), dịch whey (Cheese whey- CW) (chứa hàm lượng lactose 5g/l) (môi trường CPE + CW). Trong đó dịch chiết nấm men không chứa sinh khối phát triển trong môi trường CPE. Bình lên men gồm 645 ml dịch chiết carob (môi trường CPE) và 645ml dịch chiết carob CPE + 234 ml dịch whey + 2121 ml nước. c. Kết quả và bàn luận: Tác động của các loaị đường bổ sung tới tính chất của dextran: Sự hiện diện của các loại đường bổ sung trong môi trường lên men có tác dụng làm giảm khối lượng của phân tử dextran. Phân tử dextran nhỏ nhất thu được đối với thí nghiệm của đường maltose, sau đó là lactose và galactose. Tuy nhiên lượng dextran và fructose được tạo ra do ảnh hưởng của các phân tử đường bổ sung là không đáng kể. Các loại đường bổ sung giúp làm tăng khả năng bị tách rời do hoạt động của enzym và chuyển thành chất nhận làm giảm khối lượng phân tử dextran. Bảng 10: Tính toán các giá trị Mn Q và Mw thu được từ các thí nghiệm với đường bô sung Đường t (h) B (g/l) D (g/l) F (g/l) E (DSU/ml) (.10-3) Mn (.10-3) Q Mw interval Mantose 8 5.3 7.66 7.79 49.73 240.8 35.8 6.72 3440651-7941 Lactose 10 4.8 6.88 7.00 30.64 311.7 39.7 7.85 7294851-8209 Galactose 10 5.58 7.08 7.37 52.74 398.5 34 7.85 9255139-6740 Saccharose 10 6.04 7.48 7.19 55.28 189.05 10000 1.87 14677264-183127 Sinh khối (B), dextran (D), fructose (D), hoạt động enzym (E) và thời gian lên men t Sư sinh tổng hợp dextran và fructose sử dụng nước chiết carob và dịch whey: Kết quả thí nghiệm cho thấy lượng sinh khối thu được là ít hơn và lượng saccharose tiêu thụ nhiều hơn với sự có mặt của lactose. Nhưng vấn đề chính ở đây là sản lượng và chất lượng của sản phẩm vẫn đạt được như mong muốn. Môi trường t (h) B (g/l) D (g/l) F (g/l) E (DSU/ml) Mw Mn Q Mw interval CPE 12 5.58 8.56 7.78 53.2 1653723 891231 1.84 12845641-190837 CPE + CW 12 5.07 7.23 6.98 29.5 325829 43322 7.52 7875371-8879 Kết quả cho thấy nhưng gía trị của dextran thu được bằng phương pháp lên men sử dụng môi trường CPE và CPE + CW là hoàn toàn giống với khi sử dụng môi trường đường tinh khiết. d. Kết luận: Việc điều chỉnh khối lượng phân tử dextran bằng chính các thành phần trong môi trường lên men la rất quan trọng. Chi phí thấp hơn cho việc thuỷ phân các phân tử dextran có chuỗi polymer dài thành những phần ngắn hơn có thể thực hiện bằng cách sử dụng những loại đường bổ sung trong môi trường lên men. Theo như trường hợp của nghiên cứu này, khối lượng phân tử dextran đã giảm từ 1890000 – 10000000 Da (nếu chỉ sử dụng đường saccharose) xuống còn khoảng 240000 – 400000 Da (khi bổ sung thêm 1 loại đường khác cùng với đường saccharose). Khoảng thay đổi rộng của khối lượng phân tử dextran có ý nghĩa làm tăng tính đa dạng. 3.Phương pháp sản xuất dextran mới: Dextran thô thông thường được sản xuất theo phương pháp lên men gián đoạn. Tuy nhiên ta cũng có thể có nhiều quá trình thay thế khác như: dùng các enzym không chiết từ tế bào, quá trình lên men với sự có mặt của các chất nhận, hoặc lên men liên tục. Cách đây khoảng 30 năm Hehre và Tsuchiya đã khám phá ra rằng nếu bổ sung khoảng 1mg/ml dextran có khối lượng phân tử thấp vào dịch nuôi cấy sẽ ảnh hưởng đến khối lượng phân tử của dextran được sản xuất ra. Sau đó Tsuchiya và các đồng sự và Nadel đã tận dụng những phát hiện này. Nhờ đó mà sản lượng dextran đã tăng thêm 33% từ một nồng độ enzym nhất định. Ít nhà sản xuất đã tiếp nhận những thành tựu này. Có nhiều lí do, thứ nhất là sản phẩm chính thu được lúc nào cũng đi kèm với khối lượng phân tử lớn, sản lượng có thể không vượt quá mức thông thường, phải có quá trình phân riêng trong sản xuất dextran có phân tử lượng thấp, và để đảm bảo an toàn thiết bị phải được thay mới, lắp ráp. Sản xuất dextran từ dextransucrase cố định đã đưa đến những kết quả hứa hẹn trong phòng thí nghiệm. Nhiều nghiên cứu về các phương pháp sản xuất dextran đang hiện có như depolymer hóa và phân đoạn vẫn đang tiếp diễn. Những nghiên cứu của Basedown và Ebert về những ảnh hưởng của ứng suất cắt hoặc sóng siêu âm, hoặc đơn lẻ hoặc kết hợp với thủy phân bằng axit, thu hút nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực này. Các tác giả này đã kiểm chứng những sản phẩm được tạo thành bởi endo-dextranase và đã chỉ ra rằng chính những tác động này đã làm tăng sản phẩm ít bị phân tán nhiều. Kỹ thuật phân đoạn ethanol thông thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian. Việc sử dụng máy siêu lọc đã được ứng dụng nhiều năm nay. Nhưng kĩ thuật này cũng có giới hạn của nó. Nhược điểm lớn nhất có thể là dextran có tính chọn lọc kém với những màng membrane do có khả năng làm biến dạng những lỗ khí trên màng membrane. Tuy nhiên gần đây Alsop và đồng sự đã mô tả một qui trình bao gồm GPC, siêu lọc bằng máy siêu lọc, và trao đổi ion để thu được sản phẩm thủy phân là dextran có năng suất cao. VI/ TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Allene Jeanes, C. A. Wilham, and J. C. Miers, Preparation and characterization of Dextran from Leuconostoc mesenteroides [2] A.N. de Belder, Dextran [3] El-Sayed Ali Abdel-Rahman Soliman, Investigations on the influence of dextran during beet sugar production with special focus on crystal growth and morphology by [4]. El-Tayeb, T. S. and T. A. Khodair, Production and Purification of a bioemulsifier and flocculating agent produced by Pseudomonas sp.UBF 2 [5] Mariana Cortezi, Rubens Monti and Jonas Contiero, Leuconostoc mesenteroides FT 045 B isolated from alcohol and sugar mill plant [6] Myriam Naessens, An Cerdobbel, Wim Soetaert and Erick J Vandamme, Leuconostoc dextransucrase and dextran: production, properties and applications [7] Shah Ali UL Qader, Lubna Iqbal, Afsheen Aman, Erum Shireen, Abid Azhar, Production of Dextran by Newly Isolated Strains of Leuconostoc mesenteroides PCSIR-4 and PCSIR-9 [8] Steven J Setford, Measurement of native dextran synthesis and sedimentation properties by analytical ultracentrifugation