Đề tài Gluconic acid

Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 3 CHƯƠNG 1: NGUYÊN LIỆU Glucose được sử dụng là nguồn carbon cho hầu hết các loài vi sinh vật sản xuất gluconic acid. Tuy nhiên trong sản xuất hầu hết các nhà máy đều không sử dụng glucose tinh khiết, đa số đều sử dụng những nguyên liệu rẻ tiền khác như mật rỉ hay sản phẩm từ sự thủy phân tinh bột. Nguyên liệu sử dụng trong bài báo cáo là mật rỉ. 1.1 Mật rỉ Mật rỉ ( rỉ đường ): là phế liệu chứa đựng nhiều đường không kết tinh trong sản xuất đường từ mía hoặc củ cải đường. Thông thường tỷ lệ rỉ đường trong sản xuất đường mía chiếm 3 - 3.5% trọng lượng mía, tùy thuộc vào giống mía, điều kiện trồng trọt, công nghệ. Thành phần mật rỉ dao động như sau: nước: 15 - 20%, chất khô: 80 - 85%, trong đó có 60% là đường (40% là đường saccharose, 20% là fructose và glucose, còn 40% còn lại là chất phi đường, thành phần cụ thể cho dưới bảng sau: Bảng 1: Thành phần các hợp chất trong mật rỉ Thành phần Tỷ lệ Mật rỉ từ củ cải đường Mật rỉ từ mía Đường tổng số % 48 - 52 48 - 56 Chất hữu cơ khác đường % 12 - 17 9 - 12 Protein (N x 6.25) % 6 - 10 2 - 4 Kali % 2.0 - 7.0 1.5 - 5.0 Canxi % 0.1 - 0.5 0.4 - 0.8 Magie % Khoảng 0.09 Khoảng 0.06 Photpho % 0.02 - 0.07 0.6 - 2.0 Biotin mg/kg 0.02 - 0.15 1.0 - 3.0 Acid pantotenic mg/kg 50 - 110 15 - 55 Inozitol mg/kg 5000 - 8000 2500 - 6000 Tiamin mg/kg Khoảng 1.3 Khoảng 1.8 Trong mật rỉ luôn có mặt vi sinh vật với mật độ rất lớn, thường gặp nhất là những vi sinh vật gây màng và gây chua. Vì vậy trong sản xuất người ta thường dùng fluosilicate natri với nồng độ 2 ‰ so với trọng lượng mật rỉ để dễ bảo quản. Trước khi đưa mật rỉ vào sản xuất cần phải qua giai đoạn xử lý mật rỉ để tách tạp chất, đồng thời ức chế hoặc tiêu diệt hệ vi sinh vật có trong mật rỉ. Có nhiều quy trình khác nhau để xử lý mật rỉ. Ví dụ như theo Rehm và cộng sự (1996) thì đầu tiên mật rỉ sẽ được pha loãng với nước, sau đó bổ sung acid sulfuric và xử lí nhiệt ở 900C để ức chế vi sinh vật. Tiếp theo, bổ sung phosphate với hàm lượng 1-2% để tách cặn lắng rồi làm nguội. Ở một qui trình xử lí khác, người ta sẽ pha loãng mật rỉ, gia nhiệt rồi ly tâm để tách bỏ những chất không hòa tan. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 4 1.2 Các phụ liệu khác. 1.2.1 Nước: được sử dụng để pha loãng mật rỉ về giá trị nồng độ chất khô cho quá trình lên men. Nước phải đạt các tiêu chuẩn như tiêu chuẩn nước uống. Bảng 2: Chỉ tiêu chất lượng đối với nước dùng để ăn uống, nước dùng cho các cơ sở để chế biến thực phẩm ( QCVN 01:2009/BYT ) Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn tối đa Màu sắc TCU 15 Mùi vị - Không có mùi, vị lạ Độ đục NTU 2 pH - 6,5 – 8,5 Độ cứng, tính theo CaCO3 mg/l 300 Hàm lượng Clorua mg/l 250 – 300 Hàm lượng sắt tổng số ( Fe2+, Fe3+) mg/l 0,3 Hàm lượng mangan tổng số mg/l 0,3 Hàm lượng nitrat mg/l 50 Hàm lượng nitrit mg/l 3 Hàm lượng sunphát mg/l 250 Clo dư (trong khử trùng) mg/l 0,3 – 0,5 Coliform tổng số vi khuẩn/100ml 0 E. coli hoặc Coliform chịu nhiệt vi khuẩn /100ml 0 1.2.2 Chất chỉnh pH và acid hóa. - Chỉnh pH của rỉ đường về pH lên men 6.5 dùng tác nhân là H2SO4. - Chỉnh pH trong quá trình lên men trong khoảng 4.5 - 6.5 dùng tác nhân trung hòa là CaCO3. - Acid hóa dung dịch sau lên men để thu sản phẩm dùng H2SO4. Bảng 3: Các chỉ tiêu của CaCO3 và H2SO4. CaCO3 Các chỉ tiêu Độ tinh khiết 98% min SiO2 0,1% max Fe2O3 0,03% max Al2O3 0,03% max MgO 0,5% max Mô tả Dạng bột màu trắng, rất mịn, kích thước 10 ÷ 15 micron H2SO4 Các chỉ tiêu Nồng độ 93% ± 1% SO2 tự do 0,01% max Fe 0,01% max Tro 0,05% max Mô tả Dạng lỏng màu nâu sẫm. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 5 1.2.3 Chất phá bọt Sự hấp thu oxy của vi sinh vật là một quá trình rất phức tạp, con đường mà oxy chứa trong một bọt khí phải đi qua để tiếp xúc được với một enzyme chứa trong tế bào vi sinh vật ở thể lơ lửng trong môi trường bị ngăn cản do sự tồn tại của những diện tích tiếp xúc có bề mặt từ vài micromet tới vài milimet, kích thước của các bọt khí này phụ thuộc chặt chẽ vào tốc độ khuấy trộn của môi trường (tốc độ khuấy cao đi đôi với kích thước bọt khí nhỏ). Chất phá bọt thực chất là làm giảm sức căng bề mặt của giao diện khí/ lỏng. Như vậy, chất để phá bọt phải là một chất hoạt động bề mặt, phá hủy các bọt khí sinh ra góp phần tăng hàm lượng oxy hòa tan trong quá trình lên men. Trong môi trường lên men gluconic acid do nồng độ glucose trong môi trường lên men lớn, dẫn đến môi trường có độ nhớt cao, khi đó các bọt không khí dễ tái hợp lại thành những bọt không khí lớn hơn (nấm mốc không thể hấp thu). Để tránh hiện tượng này trong sản xuất thường dùng ancol amylic 1/80.000 hay natri oleat 1/25.000 làm chất phá bọt. 1.2.4 Các chất dinh dưỡng cho nấm mốc - Nguồn N: (NH4)2SO4 hoặc (NH4)2HPO4. - Nguồn P: dung dịch H3PO4 70%. - Nguồn Mg: MgSO4.7H2O. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 6 Chương 2: GIỐNG VI SINH VẬT 2.1 Giới thiệu về Aspergillus Đây là loài nấm mốc hiếu khí. Tế bào có vỏ, trong tế bào chất có nhân và nhân con, có các tiểu thể. Khi phát triển tế bào nấm mốc thành hệ sợi: khuẩn ty ăn sâu vào cơ chất – khuẩn ty khí sinh. Giống mốc này có hệ khuẩn ty (hệ sợi) không màu hoặc vàng nhạt. Có hai loại khuẩn ty: khuẩn ty khí sinh phát triển trên bề mặt môi trường và khuẩn ty dinh dưỡng ăn sâu vào môi trường đặc (còn gọi là khuẩn ty cơ chất). Khuẩn ty phân nhánh có nhiều vách ngăn tế bào. Tế bào có hạch nhân. Cuống đính bào tử không phân nhánh dài và thẳng đầu, có nhiều cuống nhỏ. Tùy loại có cuống nhỏ 1 tầng hoặc 2 tầng. Tất cả cuống nhỏ có hình chai và gọi là tế bào hình chai, khi trưởng thành sinh ra các đính bào tử ở đầu cuống. Các đính bào tử xếp thành chuỗi dài và càng tận cùng càng lớn dần. Những chuỗi đính bào tử xếp đối xứng từng quả tròn trên chóp nang trông như đóa hoa cúc. Đính bào tử điển hình thường hình cầu, đơn bào, đa hạch bề mặt xù xì. Do cuống sinh bào tử và đính bào tử có màu sắc nên màu của chúng trở thành màu của khuẩn lạc mốc. Các khuẩn lạc của mốc Aspergillus thường là: vàng, vàng lục, đen, tro, nâu. Đặc điểm của giống Aspergillus là giàu các enzyme thủy phân ngoại bào (amylase, protease, pectinase, lipase…). Hiện nay người ta sử dụng rộng rãi loài Aspergilus vào công nghiệp thực phẩm và một số ngành khác để thu acid hữu cơ và enzyme. Một trong những chủng được nghiên cứu kỹ trong phòng thí nghiệm và các quá trình sản xuất là Aspergilus niger. Chủng này trong quá trình phân hủy các glucid có khả năng tích lũy ở môi trường một lượng acid hữu cơ và enzyme khá lớn. 2.2 Giới thiệu về Aspergillus niger  Nhóm Aspergillus niger  Giống Aspergillus  Họ Aspergillaceae  Bộ Moniliales  Lớp Fungi imperfecti Vị trí phân loại của Aspergilus niger:  Thuộc bộ các khuẩn (Plectascales), họ Aspergillaceae, lớp Ascomycetes.  Hội nghị Utrecht năm 1952 công nhận như sau: Ở giai đoạn đỉnh bào tử - giai đoạn phát triển chính của A. niger người ta xác định chúng thuộc bộ Moniliales, lớp nấm bất toàn (Deuteromycetes). Ở giai đoạn hình thành túi bào tử thì chúng thuộc bộ Plectascales, lớp nấm túi Ascomycetes. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 7 Hình 1: Nấm mốc Aspergillus niger Aspergillus niger phát triển mạnh trên môi trường thạch malt và tạo thành bào tử dài khoảng 7-10 micromet, khuẩn lạc màu đen, trên những cuống bào tử có vô số những bào tử. Cuống bào tử có hai phần: phần thứ nhất dài và to, khoảng 2-3 micromet có màu nâu nhạt hay hoàn toàn đen. Chủng nấm mốc này có thể chịu được pH thấp 2.1-2.2, nhiệt độ thích hợp là 30-33oC và dễ phát triển trên môi trường tinh bột. Aspergillus niger được dùng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm để thu nhận các acid hữu cơ như citric acid, gluconic acid, fumaric acid.... Ngoài ra nó còn ứng dụng để thu nhận các chế phẩm enzyme như: amylase, protease, pectinase, glucoseoxydase… 2.3 Tiêu chẩn chọn giống  Là chủng nấm mốc thuần khiết, không lẫn các chủng vi sinh vật khác.  Khả năng thích ứng cao, sinh sản mạnh.  Lên men đường glucose với hiệu suất cao, thời gian lên men ngắn, sản phẩm chính là gluconic acid chiếm tỷ lệ cao.  Sau khi lên men dễ tách sinh khối và sản phẩm.  Khả năng bảo quản dễ dàng, các đặc tính di truyền được bảo tồn trong suốt thời gian bảo quản và sử dụng. 2.4 Môi trường nuôi cấy Trong sản xuất gluconic acid môi trường nuôi cấy cần đáp ứng các yêu cầu sau:  Nồng độ glucose ở mức cao: 150 – 250gL-1  Hàm lượng nitơ thấp: khoảng 20 mM nitơ  Hàm lượng phospho thấp  Bổ sung thêm các chất khoáng, theo Bern Haure (1928) cần thêm 0.7 – 13 mM mangan  pH thích hợp cho nấm mốc phát triển: 4.5 – 6.5, dưới pH < 3 ức chế enzyme glucose oxydase  Tốc độ sục khí cao: có thể lên đến 4 bar Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 8 Chương 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Trong quá trình sản xuất gluconic acid tùy thuộc và tác nhân trung hòa là NaOH hay CaCO3, điều kiện lên men mà sản phẩm thu nhận có thể là các sản phẩm khác nhau như gluconic acid, calcium gluconate, sodium gluconate. Vì mỗi sản phẩm đều có những vai trò hết sức khác nhau trong lĩnh vực dược phẩm hay trong lĩnh vực thực phẩm. 3.1 Sơ đồ khối Trong khuôn khổ bài báo cáo chúng tôi có đưa ra 3 quy trình công nghệ khác nhau dựa theo sản phẩm thu nhận. Quy trình công nghệ sản xuất gluconic acid và calcium gluconate Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 9 Quy trình công nghệ sản xuất sodium gluconate 3.2 Sơ đồ thiết bị: Chuẩn bị môi trường Thanh trùng Lên men Lọc Cô đặc Tiệt trùngNhân giống Nguyên liệu Giống VSV NaOH Cặn Sodium gluconate Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 10 Chương 4: GIẢI THÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 4.1 Xử lý mật rỉ Mục đích:  Tiêu diệt hệ vi sinh vật gây bệnh ngoại trừ Bacillus, Clostridium.  Tiêu diệt / ức chế các vi sinh vật khác trong môi trường.  Tách các chất không hòa tan trong mật rỉ. Các biến đổi:  Vật lý: có sự thay đổi về gradient nhiệt độ.  Sinh học: các vi sinh vật bị tiêu diệt. Thiết bị: Hình 2: Thiết bị xử lý nhiệt mật rỉ Cấu tạo: thiết bị hình trụ, đáy côn, làm bằng thép không rỉ. Bên trong có hệ thống ống xoắn để gia nhiệt, bên ngoài có lớp vỏ áo để làm nguội. Động cơ gắn với cánh khuấy giúp cho quá trình đảo trộn nguyên liệu. Thông số công nghệ: thực hiện tuần tự theo các bước sau:  Pha loãng mật rỉ với nước (45 – 50%)  Môi trường được đun nóng đến một nhiệt độ nhất định (90 - 1000C)  Giữ ở nhiệt độ đó trong khoảng thời gian 45 – 60 phút.  Làm nguội đến nhiệt độ cần thiết (33-350C đối với đa số nấm mốc)  Sau khi làm nguội nguyên liệu được cho qua thiết bị ly tâm để tách các tạp chất không tan Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 11 Hình 3: Thiết bị ly tâm làm sạch mật rỉ Cấu tạo: thiết bị có dạng hình trụ, bên trong có bố trí các thanh chặn. Khi động cơ truyền động cho rôto bên trong quay, dưới tác động của lực ly tâm các cấu tử không tan sẽ bị văng ra, giữ lại trên các thanh chặn. Thông số công nghệ:  Đường kính trong của rôto: 1000 mm  Số vòng quay lớn nhất: 1500 vòng/phút 4.2 Phối trộn Mục đích: chuẩn bị môi trường lên men cho nấm mốc sinh trưởng, phát triển và sinh tổng hợp gluconic acid Thành phần môi trường Môi trường bao gồm:  Glucose 110-150 g L-1  (NH4)2HPO4 0.388 g L-1  KH2PO4 0.188 g L-1  MgSO4. 7H2O 0.156 g L-1  CaCO3 26 g L-1  Môi trường được chỉnh ở pH = 6.5 Các biến đổi:  Vật lý: độ nhớt của dung dịch tăng lên do các cấu tử rắn hòa tan vào dung dịch glucose  Hóa lý: sự chuyển pha rắn sang lỏng của các muối vô cơ trong môi trường hòa tan vào dung dịch khi khuấy trộn. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 12 Thiết bị: chọn thiết bị trộn có cánh khuấy mái chèo. Hình 4: Thiết bị khuấy trộn Cấu tạo thiết bị bao gồm 1 thùng khuấy, bên trong có gắn 2 cánh khuấy mái chèo được đặt lệch tâm, thành thùng khuấy đặt các thanh chặn. Thiết bị này dùng cho chất lỏng có độ nhớt trung bình. Thông số công nghệ:  Tốc độ khuấy: 200 rpm  pH = 6.5 (hiệu chỉnh bằng H2SO4) 4.3 Nhân giống Mục đích: làm gia tăng lượng tế bào (tăng sinh khối), nhằm tích lũy đủ số lượng bào tử cần thiết để cấy vào môi trường lên men. Phương pháp thực hiện: trong công nghiệp sản xuất gluconic acid quá trình nhân giống vi sinh vật thường được thực hiện bằng phương pháp nuôi cấy tĩnh (nuôi cấy theo từng mẻ - batch culture). Nhân giống trên môi trường lỏng rất ít được sử dụng, lý do thời gian nuôi kéo dài và hoạt tính enzyme thường không cao so với nuôi cấy bề mặt. Môi trường thường dùng để nuôi cấy nấm mốc thường là môi trường bán rắn với thành phần: cám gạo, cám mì, bột ngô, hạt kê, hoặc một số loại hạt, bột kém chất lượng khác. Để làm tăng độ xốp của môi trường, thường trong sản xuất có trộn thêm các phụ liệu khác như vỏ trấu (15–20%). Quá trình nhân giống tiến hành qua nhiều cấp nhân giống trên các khay đựng canh trường đã phối trộn, thực hiện trong phòng nuôi cấy Các biến đổi:  Sinh học: trong suốt quá trình phát triển của nấm mốc theo thời gian nhân giống trong môi trường bán rắn, nấm mốc thường trải qua 3 giai đoạn:  Giai đoạn 1: kéo dài 10–14h. Bào tử bắt đầu trương nở và bắt đầu hô hấp do đó nhiệt độ phòng nuôi phải được duy trì 28–300C.  Giai đoạn 2: kéo dài 14–18h. Hệ nấm bắt đầu phát triển, quá trình hô hấp diễn ra mạnh, nhiệt độ phòng nuôi tăng nhanh. Vì vậy phải thông gió và duy trì độ ẩm môi trường khoảng 80 – 90% trong giai đoạn này. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 13  Giai đoạn 3: kéo dài 10–12h. Cường độ hô hấp giảm, nhiệt độ môi trường bán rắn giảm. Nấm mốc bắt đầu sinh bào tử.  Vật lý: thành phần môi trường thay đổi, nồng độ cơ chất tại mỗi điểm trên khay nhân giống là khác nhau. Thông số công nghệ:  Độ ẩm của môi trường bán rắn: 58–60%.  Nhiệt độ môi trường: 28–300C.  Thời gian nuôi: 36–72h, theo mỗi cấp nhân giống.  Chiều dày của lớp môi trường tốt nhất: 5–10cm.  Thời gian kết thúc quá trình nhân giống khi thu được số lượng bào tử cần thiết cho quá trình lên men (do nhà sản xuất đặt ra). 4.4 Lên men Mục đích: chuyển hóa glucose thành gluconic acid. Các biến đổi:  Vât lý: quá trình lên men làm cho nhiệt độ trong thùng lên men tăng, cần phải bố trí thiết bị làm mát trong quá trình lên men.  Sinh học: sinh trưởng và trao đổi chất của nấm mốc, sinh khối tăng trong giai đoạn đầu, giai đoạn sau quá trình trao đổi chất diễn ra, hệ quả tạo ra gluconic acid và các sản phẩm phụ khác.  Hóa học và hóa sinh: chuyển hóa glucose thành gluconic acid xúc tác enzyme glucose oxydase Các yếu tố ảnh hưởng: hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là oxy và pH  Oxy: là chất nền của quá trình oxy hóa glucose. Gradient nồng độ và thể tích oxy vận chuyển qua môi trường ảnh hưởng đến sự chuyển pha của oxy từ thể khí sang thể lỏng. Trong quá trình sản xuất gluconic acid đòi hỏi lượng oxy hòa tan cao, điều này là rất cần thiết cho nấm mốc chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong môi trường thành năng lượng, sinh tổng hợp gluconic acid. Ví dụ, khi Sakurai et al tiến hành sục oxy với áp suất cao lên xấp xỉ 6 bar kết quả đã duy trì được lượng oxy hòa tan 150 ppm. Nghiên cứu cũng cho thấy rằng trong sản xuất gluconic acid A. niger sử dụng oxy tinh khiết nhiều hơn so với khi chúng phát triển ngoài không khí. Theo Kapat et al: khi khuấy trộn với tốc độ 420 rpm và tốc độ thông khí 0.25 vvm, nồng độ oxy hòa tan lúc này là tốt nhất cho sự sản sinh glucose oxidase. Theo Lee et al: để sản xuất đạt năng suất cao thì phải sử dụng áp suất sục khí cao (2-6 bar) lúc này lượng oxy hòa tan trong môi trường có thể đạt đến 150 ppm. Nói chung trong quá trình phát triển của hệ sợi nấm lượng oxy cung cấp không đều, nguyên nhân do kích thước của các bong bóng khí ảnh hưởng nhiều bởi độ nhớt của môi trường nuôi cấy...Nên cần theo dõi trong suốt quá trình sản xuất.  pH: là yếu tố quan trọng trong việc sản xuất gluconic acid vì ở những pH khác nhau A. niger cho những sản phẩm khác nhau như: citric acid , gluconic acid và oxalic acid. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 14 Việc tích lũy các sản phẩm này dựa vào các giá trị pH trung bình. Ví dụ pH dưới 3,5 tạo điều kiện cho sự tích tụ citric acid, để sản xuất gluconic acid thì pH = 4,5- 7,0 (pH tối ưu là 5.5). Nghiên cứu của Franke khi thu thập dữ liệu về mức độ hoạt động của của glucose oxidase ở các cấp độ pH khác nhau và thu được kết quả : 5% (pH=2.0 ) và 35 % (pH= 3.0) hoạt tính, trên nền tảng 100 % ( pH=5.6) hoạt tính. Hình 5: Nồng độ gluconic acid sinh ra theo thời gian lên men Hình 6: Lượng oxy hòa tan theo thời gian lên men Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 15 Thiết bị: thiết bị lên men bề sâu Cấu tạo: thiết bị này có cấu tạo là một thùng hình trụ đứng được cấu tạo từ thép không rỉ hay lớp kim loại kép có đáy và nắp hình nón, trên nắp có gắn động cơ chuyển đảo và các ống nối cho môi trường và các tác nhân hỗ trợ quá trình lên men, van bảo hiểm và các khớp nối để gắn các dụng cụ kiểm tra. Các bộ phận chính của thiết bị 1) Động cơ 2) Hộp giảm tốc 3) Khớp nối 4) Ổ bi 5) Vòng bít kín 6) Trục 7) Thành thiết bị 8) Máy khuấy trộn tuabin 9) Bộ trao đổi nhiệt dạng ống xoắn 10) Khớp nối 11) Ống nạp không khí 12) Máy trộn kiểu cánh quạt 13) Bộ sủi bọt 14) Máy khuấy dạng vit 15) Ổ đỡ 16) Khớp để tháo 17) Áo 18) Khớp nạp liệu 19) Khớp tháo không khí Xử lý thiết bị với H2SO4 và HNO3 loãng, thông khí trong 24h Tiệt trùng thiết bị bằng hơi nước (0.2 bar), làm nguội bằng tác nhân lạnh thông qua vỏ áo. Hình 7: Thiết bị lên men bề sâu Thông số công nghệ:  Nhiệt độ lên men 340C.  pH dao động 4.5 – 6.5.  Lưu lượng khí 0.25 – 1 vvm.  Áp suất sục khí 1.5 – 2 kg/cm2.  Thời gian lên men 40h.  Thời điểm kết thúc lên men khi nồng độ đường còn lại 0.1%. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 16 4.5 Lọc Mục đích: loại bỏ sinh khối vi sinh vật trong dịch men. Các biến đổi:  Vật lý: thay đổi khối lượng dịch lên men, màu sắc dung dịch chuyển từ đục sang trong, độ nhớt giảm. Thiết bị: chọn thiết bị lọc khung bản (lọc ép) Cấu tạo: khung lọc và bản lọc đặt xen kẽ, ở giữa ta đặt vải lọc. Ép chặt lại ta được máy lọc khung bản. Khi bã lọc nằm đầy trong khung lọc ta tiến hành rửa bã để tận thu, sau đó làm vệ sinh rồi lọc tiếp. Hình 8: Thiết bị lọc khung bản Thông số công nghệ:  Kích thước màng lọc: 50 μm  Độ ẩm nguyên liệu ~ 90%, độ ẩm bã ~ 30%. 4.6 Acid hóa Mục đích: thu hồi gluconic acid. Các biến đổi:  Vật lý: dung dịch đổi màu đục, độ nhớt tăng  Hóa học: xảy ra phản ứng Calcium gluconate + H2SO4 = gluconic acid + CaSO4  Hóa lý: sự tách làm hai pha rắn và lỏng, kết tủa sinh ra lắng xuống Thiết bị: chọn thiết bị phản ứng có cánh khuấy Thiết bị gồm: vỏ thép hàn có đáy hình nón và nắp phẳng làm bằng thép chịu acid đậy kín bằng mặt lát gỗ. Bề mặt trong của thiết bị được chống gỉ bằng lớp chịu acid. Bề mặt ngoài được phủ lớp cách nhiệt. Trong nắp thiết bị đặt máy trộn bằng thép chịu acid, cửa nối để thoát khí ra khỏi thiết bị. Trong phần nối phía dưới của thiết bị có khớp nối để nhận sản phẩm. Khớp nối bên trong dùng để nạp acid H2SO4. Ở nắp và phần nón bên dưới có các cửa - khe nhìn để sửa chữa, làm sạch và khảo sát thiết bị. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 17 Hình 9: Thiết bị phản ứng Thông số công nghệ:  Lượng H2SO4 dùng để acid hóa môi trường tương đương với lượng CaCO3 cho vào theo phương trình phản ứng: Calcium gluconate + H2SO4 = gluconic acid + CaSO4  Dung dịch sau acid hóa có pH ≈ 3.7 4.7 Ly tâm Mục đích: tách kết tủa CaSO4, huyền phù trong dung dịch. Các biến đổi:  Vật lý: độ nhớt giảm, tỷ trọng giảm  Hóa lý: sự tách làm hai pha rắn và lỏng riêng biệt Thiết bị: chọn thiết bị ly tâm lắng Cấu tạo máy gồm có hai rôto. Rôto ngoài có dạng hình nón hoăc trụ-nón, rôto trong có dạng hình trụ mà mặt ngoài của nó có gắn vít tải. Rôto trong và rôto ngoài quay cùng chiều nhưng rôto trong quay chậm hơn rôto ngoài 1,5-2 % (khoảng 20-100vg/ph) nhờ hộp giảm tốc vi sai. Rôto trong có đục các lỗ để dẫn huyền phù nhập liệu. Góc nghiêng phần hình nón của rôto khoảng 9-100 . Quá trình lắng xảy ra trong khoảng không gian giữa hai rôto, bã bám vào mặt trong của rôto ngoài và được vít tải đẩy về phía cửa tháo bã. Nước trong đi về phía ngược lại, chảy qua các cửa ở trên đáy rồi đi ra ngoài. Trong phần rôto không bị ngập nước, bã vừa được đưa ra khỏi rôto vừa được làm khô. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 18 Hình 10: Máy ly tâm lắng nằm ngang Thông số công nghệ:  Đường kính trong của roto: 325 mm  Số vòng quay của roto: 3500 vòng/phút 4.8 Trao đổi ion Mục đích:  Khai thác: thu nhận acid gluconic  Hoàn thiện : tách các tạp chất ra khỏi acid Các biến đổi : sự tương tác tĩnh điện giữa các cấu tử mang điện trong dung dịch lên men với các hạt nhựa mang điện tích trái dấu. Phương pháp thực hiện : Do acid gluconic tích điện âm nên sẽ bị hấp phụ bởi anionit có các nhóm điện tích là base. Khi đó các ion âm chủ yếu là acid gluconic (ngoài ra còn có các sản phẩm phụ khác như citric acid …) hấp phụ trên hạt nhựa (pha tĩnh) giữ lại trên cột còn các phần tử khác (ion dương và tạp chất không tích điện ) do không bị giữ lại bởi pha tĩnh nên bị loại khỏi cột. Do ái lực khác nhau giữa các ion với nhựa anionit và sự phản hấp phụ do dung dịch rửa giải, ion trao đổi khuếch tán vào dung dịch rửa giải. Ta dùng dung dịch giải hấp phụ là HCl loãng để lôi cuốn gluconic acid ra khỏi cột. Thông số công nghệ :  Nhựa trao đổi anionit sử dụng là anionit có nhóm điện tích –CH2N+R3 ( có khoảng pH hoạt động rộng với dung lượng trao đổi ion là 4mM OH-/g ). Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 19 4.9 Cô đặc Mục đích: nâng cao nồng độ gluconic acid trong sản phẩm. Các biến đổi:  Vật lý:  Hệ số truyền nhiệt giảm  Độ nhớt tăng, khối lượng riêng tăng  Thể tích dung dịch giảm  Hóa lý: sự bốc hơi nước Thiết bị: sử dụng thiết bị cô đặc chân không Cấu tạo: máy gồm 3 bộ phận chính: buồng đốt ngoài, buồng bốc và thiết bị ngưng tụ.  Buồng đốt ngoài: thiết bị thường dùng các loại ống có đường kính d25, và d38, chiều dài của ống truyền nhiệt là bội số của 0.5m (tối thiểu là 0.5m, tối đa là 9m), ống thường bố trí ở đỉnh tam giác đều với bước ống s khoảng (1.3–1.5)d0. Mục đích: gia nhiệt cho hỗn hợp dung dịch lỏng tới nhiệt độ sôi tai áp suất làm việc.  Buồng bốc: thiết bị có dạng hình trụ với đường kính lớn. Nhiệm vụ chủ yếu của bường bốc là tách hổn hợp lỏng – hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại.  Thiết bị ngưng tụ: đưa dòng nước lạnh tiếp xúc với dòng hơi. Hình 11: Thiết bị cô đặc chân không Thông số công nghệ:  Áp suất cô đặc chân không: 0,06 atm  Nhiệt độ cô đặc: 50 - 60 0C Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 20 Chương 5: SẢN PHẨM 5.1 Sản phẩm  CTPT : C6H12O7  Tên gọi đầy đủ: 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoic acid  pKa: 3.7  Nhiệt độ nóng chảy (dung dịch 50%) : trên 120C  Nhiệt độ hóa hơi (dung dịch 50%) : hơn 1000C  Khối lượng riêng: 1.24 g/ml  Màu sắc: không màu tới nâu Gluconic acid: là acid hữu cơ nhẹ, không ăn mòn, không độc, phổ biến trong các loài thực vật, hoa quả và các thực phẩm khác như gạo, thịt, sản phẩm sữa, rượu (lên đến 0,25%), mật ong (lên đến 1%), và dấm ăn. Gluconic acid được ứng dụng làm chất tạo vị chua (E574) trong một số thực phẩm như rượu vang, nước hoa quả.... Nó còn làm chất tẩy rửa các thiết bị của dây chuyền chế biến hay thiết bị lên men trong công nghiệp thực phẩm. Chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm:  Trạng thái: dung dịch lỏng, min 50% w/v.  Màu sắc: sáng ánh màu vàng.  Mùi vị: mùi chua nhẹ của giấm.  Mật độ tương đối: 1,2 – 1,24.  Chloride: max 0,05%.  Sulphate: max 0,05%.  Sắt: max 0,005%.  Kim loại nặng (như chì): max 0,002%.  Vận chuyển: thùng HDPE. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 21 5.2 Sơ đồ chuyển hóa Có nhiều phương pháp sản xuất gluconic acid: hóa học, điện hóa, hóa sinh, bioelectrochemical, tại đó sử dụng các tác nhân oxy hóa khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế việc sử dụng quá trình lên men sử dung A. niger được ứng dụng rộng rãi, bên cạnh đó những quá trình sản xuất sử dụng G. oxydans cũng đem lại những kết quả đáng chú ý. Hình 12: Sơ đồ tổng quát chuyển hóa glucose trong các vi sinh vật Chú thích:  1-2-3-4-7: A. niger, Penicillium.  1’-1’’-3-4-7: Gluconobacter oxydans  1’-1’’-3-5-6: Acetobacter và Pseudomonas savastanoi  1’-1’’-3-4-5’-6’: một số vi khuẩn khác Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 22 5.2.1 Sản xuất từ Aspergillus niger và Penicillium luteum Hình 13: Sơ đồ chuyển hóa glucose thành gluconic acid bởi A. niger Sự có mặt của ion Ca2+ làm cho A. niger sinh tổng hợp đồng thời 2 enzyme đó là glucose oxidase và catalase, làm thay đổi quá trình chuyển hóa glucose từ con đường EMP sang con đường oxy hóa trực tiếp dưới xúc tác của các enzyme. Gluconic acid (pentahydroxycaproic acid) được sản xuất từ glucose bằng phản ứng loại bỏ hydrogen, xúc tác bởi emzyme glucose oxydase, khi đó nhóm aldedyde trên C-1 của β-D-glucose sẽ chuyển hóa thành nhóm carbonxyl, bên cạnh đó còn có glucono-δ-lactone (C6H10O6) và hydrogen peroxide. Ngoài ra glucono-δ-lactone cũng thủy phân thành gluconic acid, giai đoạn này có thể sảy ra một cách tự nhiên hoặc có enzyme gluconolactonase xúc tác, trong khi hydrogen peroxide phân hủy thành nước và oxy dưới tác dụng của enzyme peroxidase. A. niger sản xuất tất cả các enzym cần thiết cho các chuyển đổi của glucose thành axid gluconic, trong đó bao gồm glucose oxidase, catalase, lactonase và mutarotase (phục vụ để tăng tốc độ phản ứng).  Trong quá trình sản xuất sự tích tụ của lactone (Glucono-δ-lactone) trong môi trường gây hiệu ứng xấu đến glucose oxidase, và việc sản xuất acid gluconic bị gián đoạn. Tuy nhiên sự có mặt của lactonase (A. niger tiết ra) làm cho sự thủy phân Glucono-δ-lactone sẽ diển ra nhanh hơn, điều kiện phản ứng này gần như trung tính, điều này có thể giải quyết bằng cách bổ sung NaOH hay CaCO3,.  Catalase xúc tác cho phản ứng phân hủy H2O2 thành O2 và H2O Quá trình lên men làm cho pH môi trường giảm xuống làm ức chế enzyme glucose oxidase dẩn đến sản suất bị dừng lại, để kiểm soát pH biện pháp đã được đưa ra là sử dụng CaCO3 với lượng vừa đủ (thừa CaCO3 sẽ làm chậm sự lên men Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 23 do CaCO3 ngăn cản sự tiếp xúc tự do giữa môi trường và hệ sợi nấm). Nhưng vấn đề quan trọng là tính khó tan của Calcium gluconate trong nước (4 % tại 30 °C), tại nơi tập trung glucose cao lên đến 15 %, xảy ra sự quá bão hòa, và nếu nó vượt quá giới hạn calcium gluconate sẽ bị kết tủa trong hệ sợi nấm, điều này làm ngăn cản vận chuyển oxy. Sản xuất gluconic acid đã được nghiên cứa tổng quát bởi May et al, Moyer, Wells et al, và Stubbs et al sử dụng A. niger , Currie et al sử dụng Penicillium luteum và A. niger cho hiệu suất tạo gluconic acid tới 90 % trong 48–60 h. Sau đó Moyer et al trong quá trình nghiên cứu sử dụng A. niger đã cho hiệu suất tạo gluconic acid lên đến 95% trong điều kiện lý thuyết (dung dịch glucose: 150 - 200 g/L trong 24 h). Porges et al thấy rằng quá trình có thể gián đoạn do sử dụng khuẩn ty chín lần liên tục tại nơi cấy được phục hồi bằng lọc hay tách ly tâm. Những phát hiện của Moyer et al cho thấy: hiệu quả hơn 95% có thể đạt được nếu thêm vào dung dịch bao gồm glucose 250 g / L và hợp chất của Bo 1% sau giai đoạn phát triển của nấm, với sự tái sử dụng khuẩn ty trong vòng 24 h mỗi lần. 5.2.2 Sản xuất gluconic acid từ enzyme glucose oxidase Dựa trên phản ứng chuyển đổi glucose bằng tác nhân nấm sợi (tiết ra enzyme glucose oxidase, enzyme lần đầu được cô lập từ Penicillium glaucum bởi Müller. Emzyme được bảo quản trong đường (crystallised) bởi Kusai et al, từ loài P. amagasakiense. Glucose oxidase trước đây được biết như notatin. Glucose oxidase như là flavoprotein: một hợp chất gồm protein kết hợp hoặc với nhóm ngoại FAD hoặc với FMN (gọi là các Flavin). Glucose oxidase là enzyme có nhóm ngoại FAD, khi oxy hóa glucose, dưới tác dụng của enzyme này sẽ tạo thành sản phẩm trung gian là Glucono-δ-lactone, chất này kết hợp với nước và chuyển thành gluconic acid. Giai đoạn sau có thể xảy ra một cách tự nhiên hoặc có thể do enzyme glucono-lactonase xúc tác. Glucose oxidase là glycoprotein. Phương pháp sử dụng enzyme trong sản suất gluconic acid có tiềm năng phát triển vì không phải qua giai đoạn tinh sạch sản phẩm. Nếu enzyme được cố định trong màng polymer (có thể trao đổi anion) được tao ra bằng cách ghép polyethylene với 4-vinylpyridine. Tuy nhiên phương pháp này không được dùng trong công nghiệp và sẽ không được cân nhắc xem xét lại vì lý do kinh tế. 5.2.3 Sản xuất gluconic acid từ vi khuẩn  Vi khuẩn acetic và Pseudomonas savastanoi là những vi khuẩn đầu tiên được ứng dụng vào sản xuất gluconic acid. Không giống như nấm mốc trong quá trình chuyển hóa vi khuẩn tiết ra glucose dehydrogenase để oxy hóa glucose thành gluconic acid, tiếp đến bị oxy hóa thành 2-ketogluconate , cuối cùng bị oxy hóa thành 2,5-diketogluconate Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 24 Hình 14: Sơ đồ chuyển hóa glucose thành gluconic acid bởi Acetobacter và Pseudomonas  Gluconobacter oxydans: vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, oxy hóa glucose qua hai con đường: đầu tiên đòi hỏi sự photphoryl hóa, bằng cách oxy hóa theo con đường pentose phosphate. Sản xuất gluconic có hạn chế ở quy mô công nghiệp vì do sự oxy hóa tới các oxogluconic acid, khả năng của Pseudomonas và Gluconobacter spp trong sản xuất gluconolactone và gluconic acid đã được khai thác trong việc sản xuất trên quy mô thương mại chủ yếu trong sản xuất lactone. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 25 Chương 6: THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ 6.1 Nguyên liệu Glucose được sử dụng là nguồn carbon cho hầu hết các loài vi sinh vật sản xuất gluconic acid.  Kundu và Das thu được một lượng lớn gluconic acid từ môi trường glucose hay nguyên liệu từ sự thủy phân tinh bột (starch hydrolysate).  Vassilev et al sử dụng hydrol (nguyên liệu từ sự thủy phân tinh bột ngô) làm chất thay thế glucose để sản xuất gluconic acid bằng A. niger được giữ cố định.  Mukhopadhyay et al sử dụng protein whey trong sữa như là môi trường bổ sung chất dinh dưỡng cho sản xuất Gluconic acid, lactose được sử dụng như một chất nền, 92g gluconic acid được sản xuất từ 1 lít whey chứa 0,5% glucose và 9,5% lactose bằng A. niger được giữ cố định trong bọc nhựa.  Ikeda et al sử dụng nguyên liệu là giấy thải, sau khi đường hóa thu được dung dịch có nồng độ glucose lên tới 50–100 g/L. Sản lượng thu được là 92 % trong bình cất Erlenmeyer và 60% trong bình phản ứng có turbine lá cánh quạt với 800 mL mỗi mẻ. Một điểm đáng lưu ý trong nghiên cứu này là khi sử dụng xylose (loại đường pentose) và cellobiose (dẫn xuất của cellulose) làm nguồn carbon duy nhất thì thu được sản lượng tương ứng là 83 và 56%. 6.2 Vi sinh vật tổng hợp gluconic acid.  Acetobacter methanolicus: được sử dụng làm xúc tác trong sự chuyển đổi glucose thành gluconic acid, không giống như những vi khuẩn khác, trong quá trình lên men A. methanolicus sử dụng methanol, nguồn nguyên liệu rẻ tiền, như là chất nền. Ngoài ra quá trình không sử dụng glucose trong quá trình phát triển, vì vậy sản lượng lý thuyết có thể đạt lớn nhất.  Nghiên cứu của Currie và Carter: sử dụng trung bình 200 g/L dung dịch chứa glucose và những chất dinh dưỡng và trung hòa khác chảy qua tháp chứa đầy dăm bào gổ (hay than cốc), sử dụng Acetobacter suboxydans, trong khi không khí đi lên xuyên qua lớp dăm bào gỗ (hay than cốc).  Tsao và Kempe, làm việc với Pseudomonas Ovalis và đã tìm ra một chủng đặc biệt có thể chuyển hóa glucose thành gluconic acid với hiệu suất lên đến 99%, tuy nhiên tỷ lệ này phụ thuộc rất nhiều vào việc thông khí.  Nấm men (Yeast) : nghiên cứu của một số tác giả sử dụng Aureobasidium pullulans để sản xuất gluconic acid. Các yếu tố dược nghiên cứu cho quá trình sản xuất liên tục như: độ pH, oxy , nhiệt độ, thành phần trung bình của môi trường, độ bão hòa không khí,.. sự chuyển hóa glucose cao nhất đến 94% và sản lượng đạt 87.1 % tại pH trung bình là 6.5. Tại pH = 4 hay pH = 5 sản lượng nghèo nàn, tương ứng là 67.8% và 20.7%. Nhiệt độ thích hợp là 290C tới 31 °C, nếu tăng nhiệt độ lên 10C cụ thể là 320C thì sinh khối và năng suất giảm. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 26  Nghiên cứu của Bernhauer cho thấy A. niger cho sản lượng cao khi lượng acid tạo thành được trung hòa bởi CaCO3, và quá trình này phụ thuộc chặt chẽ vào pH. Tuy nhiên khi sử dụng Penicillium sp sự phụ thuộc vào pH không còn bị giới hạn như khi sử dụng A. niger, khi đối chiếu về số lượng, thời gian xuất hiện của các acid hữu cơ như: gluconic acid, citric acid, oxalic acid trong những điều kiện khác nhau. 6.3 Cố định (Immobilisation) Kỹ thuât cố định (Immobilisation) là kỹ thuật khá phức tạp, nơi vi sinh vật được cố định trên màng bao hay được cố định tại những khu vực riêng. Trong một số trường hợp enzyme được cố định. Phương pháp này cho phép tái sử dụng vi sinh vật trong sản xuất, và là một phương pháp hiệu quả trong việc chuyển hóa nhanh chóng carbonhydrat thành acid hữu cơ.  Trong quá khứ cũng có một vài nghiên cứu về việc sử dụng tế bào A. niger được cố định trong sản xuất gluconic acid, trong đó tế bào A. niger được vo viên với các chất có khối lượng phân tử cao (polyelectrolyte), calcium alginate, glycidyl ester copolymers tạo thành hệ keo kết dính. A. niger được đưa vào sản xuất gluconic acid bởi Heinrich và Rehm, Sakurai et al đưa ra phương pháp cố định A. niger, Vassilev et al. và Mukhopadhyay et al. nghiên cứu cách cố định sợi khuẩn ty trong bọt polyurethane.  Bằng cách cố định G. oxydans trong điều kiện thông khí, nuôi cấy tối thiểu 6 tháng, sẽ cho năng suất 5 g/(L.h) trên 100 g/L glucose, nồng độ gluconic acid sinh ra trong trường hợp này khoảng 80 g/L. Trong một nghiên cứu khác khi cho bào tử nấm mốc được giữ cố định trong kính mờ (sintered glass), đá bọt (pumice stone) và bọt polyurethane, lúc này hệ sợi nấm phát triển trong đá bọt sẽ sản sinh enzyme ngoại bào glucose oxidase cao (80 % khi đối chiếu với hoạt tính của enzyme trong các tế bào tự do).  Nghiên cứu của Sankpal et al trong việc sử dung A. niger được cố định trong mạng lưới cellulose (cellulosic fabric) như là chiếc khung lưới (support matrix) trong sản xuất gluconic acid. Dung dịch glucose (100 g/L) được thiết kế chảy qua ống mao mạch, như là kết cấu lưới thẳng đứng. Hệ thống được chạy liên tiếp trong 61 ngày, chuyển hóa toàn bộ glucose, sinh ra sản lượng gluconic acid là 20–140 g/L. Sankpal and Kulkarni tìm ra được giá trị trung bình mật độ sinh khối sinh vi sinh vật trong khung cellulose là 0.234 mg/cm2 là phù hợp cho lên men. Nếu nhiều quá sẽ gây ức chế vi sinh vật ngoài ra, sự gia tăng nhanh về tế bào vi sinh vật làm cho hiệu suất chuyển hóa giảm. Gluconic acid GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Ngọc Tú, Hóa sinh công nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, , Hà Nội 1997. 2. Nguyễn Đức Lượng, Công nghệ sinh học, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Tp. HCM, 2001, 345 trang 3. Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự, Công nghệ chế biến thực phẩm, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Tp. HCM, 2009, 1020 trang 4. Rehm H.J.,Reed G. Biotechnology (11 volumes) volumes 6 : Primary metabolites VCH publish, Weinheim, 1996 5. Tài liệu tham khảo trên internet _gluconicacid_en.pdf