Đề tài Sản xuất acid malic

Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 1 Phần 1: GIỚI THIỆU NGUYÊN LIỆU A. MẬT RỈ: Rỉ mật là một phụ phẩm của ngành sản xuất đường, là sản phẩm cuối cùng của quá trình sản xuất đường mà từ đó đường không còn có thể kết tinh một cách kinh tế nữa bới các công nghệ thông thường. Thành phần chính của rỉ mật là đường, chủ yếu là sucrose với một ít glucose và fructose . Nói chung, sản lượng rỉ mật bằng khoảng 1/3 sản lượng đường sản xuất. Cứ khoảng 100 tấn cây mía đem ép thì có 3-4 tấn rỉ mật được sản xuất. Bảng 1: Thành phần dinh dưỡng của rỉ mật mía Thành phần Hàm lượng (%) Nước 20 Sucrose 35 Glucose 7 Fructose 9 Các chất khử khác 3 Các gluxit khác 4 Khoáng 12 Các chất chứa N 4,5 Các axit không chứa N 5 Sáp, sterol và phôtpholipit 0,4 Thành phần tiêu chuẩn của rỉ mật thường được chia thành 3 phần: đường, chất hữu cơ không đường và chất khoáng. - Đường: Các loại gluxit hoà tan (đường đôi và đường đơn) là thành phần dinh dưỡng chính của rỉ mật, trong đó sucrose là chủ yếu (bảng 2). Rỉ mật mía có đặc điểm là có tỷ lệ đưởng khử tương đối cao. Trong chu trình kết tinh các loại đường khử tăng lên tới mức mà sucrose không thể kết tinh được nữa bởi vì đường khử làm giảm khả năng hoà tan của sucrose. Các chất khoáng có xu hương giữ sucrose trong dung dịch, cho nên cân bằng giữa đường khử và chất khoáng sẽ quyết định sản lượng sucrose lý thuyết có từ cây mía. Phần sirô còn lại thường được coi là rỉ mật. Tồng lượng đường trong rỉ mật củ cải đường thường thấp hơn trong rỉ mật mía, nhưng lại chứa hầu như toàn bộ là sucrose. Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 2 Bảng 2: Thành phần chất hữu cơ của rỉ mật mía Thành phần Hàm lượng (%) Sucrose 44 Fructose 13 Glucose 10 Acid amin 3 Các chất khác 30 - Chất hữu cơ không đường: Các chất hữu cơ không phải là đường của rỉ mật quyết định nhiều tính chất vật lý cuả nó, đặc biệt là độ nhớt dính. Nó bao gồm chủ yếu là các loại gluxit như tinh bột, các hợp chất chứa N và các axit hữu cơ. Nói chung hàm lượng các chất hữu cơ không phải là đường của rỉ mật củ cải đường cao hơn là rỉ mật mía. Trong rỉ mật không chứa xơ và lipit . Tỷ lệ protein thô trong rỉ mật mía tiêu chuẩn là rất thấp (3-5%). Trong rỉ mật mía còn có một lượng đáng kể các acid hữu cơ, trong đó chủ yếu là acid acotinic. Rỉ mật cũng chứa một lượng acid béo bay hơi, trung bình khoảng 1,3%. - Chất khoáng: Rỉ mật là một nguồn giàu khoáng. So với các nguồn thức ăn năng lượng thông dụng khác như hạt ngũ cốc thì hàm lượng Ca trong rỉ mật mía cao (tới 1%), trong khi đó thì hàm lượng P lại thấp. Rỉ mật mía giàu Na, K. Mg và S. Rỉ mật cũng chứa một lượng đáng kể các nguyên tố vi lượng như Cu (7 ppm), Zn (10 ppm), Fe (200 ppm), Mn (200 ppm). Ngoài ra trong rỉ đường còn có một số vitamin: Bảng 3: thành phần vitamin trong rỉ đường mía Vitamin Thành phần (μg/g rỉ đường) Thiamine 8.3 Folic acid 0.038 Pyridoxine 6.5 Nicotimic acid 21 Biotin 12 Pantothenic acid 21.4 Riboflavin 2.5 Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 3 B. SACCHAROMYCES CEREVISIAE: I. Sơ lược chung về nấm men: Nấm men là tên chung chỉ nhóm nấm men có cấu tạo và sinh sản bằng cách nảy chồi và phân cắt. Chúng phân bố rộng rãi khắp nơi. Đặc biệt chúng có mặt nhiều ở đất trồng nho và các nơi trồng hoa quả. Ngoài ra thấy chúng có mặt trên trái cây chín, trong nhụy hoa, trong không khí và cả nơi sản xuất rượu vang. 1. Hình dạng và kích thước: - Hình dạng tế bào nấm men Nấm men thường có hình dạng khác nhau, thường có hình cầu, hình elip, hình trứng, hình bầu dục và cả hình dài. Một số loài nấm men có tế bào hình dài nối với nhau thành những dạng sợi gọi là khuẩn ty (Mycelium) hay khuẩn ty giả (Pseudo mycelium). Tuy nhiên hình dạng của chúng không ổn định, phụ thuộc vào tuổi của nấm men và điều kiện nuôi cấy. - Kích thước tế bào nấm men Tế bào nấm men thường có kích thước rất lớn gấp từ 5 – 10 lần tế bào vi khuẩn. Kích thước trung bình: + Chiều dài: 9 – 10  m + Chiều rộng: 2 – 7  m Kích thước cũng thay đổi, không đồng đều ở các loài khác nhau, ở các lứa tuổi khác nhau và điều kiện nuôi cấy khác nhau. 2. Cấu tạo tế bào nấm men: Tế bào nấm men cũng như nhiều loại tế bào khác được cấu tạo chủ yếu từ các phần cơ bản như sau: - Thành tế bào: cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau. Trong đó chủ yếu là: glucan, manan, protein, lipid và một số thành phần nhỏ khác như kitin, volutin,… - Màng nguyên sinh chất: gồm các hợp chất phức tạp như protein, phospholipit enzyme permeaza… - Chất nguyên sinh: thành phần cấu tạo chủ yếu là nước, protit, gluxit, lipit và các muối khoáng, enzyme và có các cơ quan trong đó. - Nhân tế bào - Những thành phần – cơ quan con khác: không bào, ty lạp thể, riboxom,… Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 4 3. Sự sinh sản của nấm men: Nấm men có một số hình thức sinh sản sau: - Sinh sản bằng cách nảy chồi. - Sinh sản bằng cách phân đôi. - Sinh sản bằng bào tử và sự hình thành bào tử. + Tiếp hợp đẳng giao + Tiếp hợp dị giao + Sinh sản đơn tính 4. Các quá trình sinh lí của tế bào nấm men:  Sinh dưỡng của nấm men: Cấu tạo của tế bào nấm men thay đổi khác nhau tùy theo loài, độ tuổi và môi trường sống, nhưng nhìn chung bao gồm: - Nước: 75 – 85% - Chất khô: 15 – 25% . Trong đó chất khoáng chiếm 2 – 14% hàm lượng chất khô. Bảng 4: Thành phần hóa học của nấm men Các chất Thành phần (% chất khô) Cacbon CaO Nitro Hydro P2O5 K2O SO3 MgO Fe2O3 SiO 49,8 12,4 6,7 3,54 2,34 0,04 0,42 0,38 0,035 0,09 Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 5 Nấm men cũng như các sinh vật sống khác cần oxy, hydro, cacbon, nitơ, phospho, kali, magiê,… - Dinh dưỡng Cacbon: Nguồn Cacbon cung cấp là các loại đường khác nhau: sucrose, maltose, lactose, glucose… Hô hấp hiếu khí: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 674 cal Hô hấp kị khí C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 + 33 cal - Dinh dưỡng oxy, hydro: được cung cấp cho tế bào từ nước của môi trường nuôi cấy hay dịch. - Dinh dưỡng Nitơ: Nấm men không có men ngoại bào để phân giải protid, nên không thể phân cắt albumin của môi trường mà phải cung cấp nitơ ở dạng hòa tan, có thể là đạm hữu cơ hoặc vô cơ. Dạng hữu cơ thường dùng là acid amin, pepton, amid, urê. Đạm vô cơ là các muối amon khử nitrat, sulfat… - Các vitamin và chất khoáng: Chất khoáng có ảnh hưởng to lớn đến hoạt động sống của nấm men + Phospho: có trong thành phần nucleoprotein, polyphosphat của nhiều enzyme của sản phẩm trung gian của quá trình lên men, chúng tạo ra liên kết có năng lượng lớn. + Lưu huỳnh: tham gia vào thành phần một số acid amin, albumin, vitamin và enzyme. + Magiê: tham gia vào nhiều phản ứng trung gian của sự lên men. + Sắt: tham gia vào các thành phần enzyme, sự hô hấp và các quá trình khác. + Kali: chứa nhiều trong nấm men, nó thúc đẩy sự phát triển của nấm men, tham gia vào sự lên men , tạo điều kiện phục hồi phosphorin hóa của acid pyruvic. + Mangan: đóng vai trò tương tự như magiê.  Cơ chế vận chuyển các chất dinh dưỡng vào trong tế bào nấm men: Nấm men hoàn toàn không có cơ quan dinh dưỡng riêng biệt, các chất dinh dưỡng mà nó sử dụng chủ yếu được vận chuyển qua thành tế bào theo hai con đường cơ bản Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 6 - Thẩm thấu bị động: trên thành tế bào nấm men có những lỗ nhỏ, những lỗ này có tác dụng làm cho chất dinh dưỡng vận chuyển vào trong tế bào từ môi trường bên ngoài nhờ áp suất thẩm thấu, ngược lại chất thải trong quá trình trao đổi cũng được thải ra theo con đường này. - Hấp thu chủ động: các thành phần dinh dưỡng không có khả năng xâm nhập vào tế bào theo con đường thứ nhất thì lập tức có hệ permeaza hoạt hóa. Permeaza là một protid hoạt động, chúng liên kết với chất dinh dưỡng tạo thành hợp chất và hợp chất này chui qua thành tế bào trong, tại đây chúng lại tách ra và permeaza lại tiếp tục vận chuyển tiếp.  Quá trình sinh trưởng và phát triển: - Sự sinh trưởng: Trong quá trình nuôi cấy, trong điều kiện dinh dưỡng đầy đủ, tế bào nấm men tăng nhanh về kích thước và đồng thời sinh khối được tích lũy nhiều. - Sự phát triển: Các nấm men sinh sản bằng phương pháp nhân đôi thường cho lượng sinh khối rất lớn sau một thời gian ngắn. Trong trường hợp sinh sản theo phương pháp này thì trong dịch nuôi cấy sẽ không có tế bào già. Vì rằng tế bào được phân c hia thành hai cứ như vậy tế bào lúc nào cũng ở trạng thái đang phát triển. Tế bào chỉ già khi môi trường thiếu chất dinh dưỡng và tế bào không có khả năng sinh sản nữa. Tuy nhiên đa số nấm men sinh sản bằng phương pháp nảy chồi nên hiện tượng phát hiện tế bào già rất rõ. Khi chồi non tách khỏi tế bào mẹ để sống độc lập thì nơi tách đó trên tế bào mẹ tạo thành một vết sẹo. Vết sẹo này sẽ không có khả năng tạo ra chồi mới. Cứ như vậy tế bào mẹ sẽ chuyển thành tế bào già theo thời gian. Để xác định số lượng tế bào nấm men phát triển theo thời gian hiện nay người ta dùng nhiều phương pháp khác nhau như: + Xác định số lượng tế bào bằng phương pháp đếm trực tiếp trên kính hiển vi hay gián tiếp trên mặt thạch. + Đo độ đục của tế bào trong dung dịch nuôi cấy trên cơ sở xây dựng một đồ thị chuẩn của mật độ tế bào… Quá trình sinh trưởng của nấm men trong dịch lên men tĩnh có thể chia làm 5 giai đoạn: + Giai đoạn tiềm phát: giai đoạn này tế bào làm quen với môi trường, sinh khối chưa tăng nhiều. + Giai đoạn logarit: đây là giai đoạn phát triển rất nhanh, sinh khối tăng ào ạt, kèm theo sự thay đổi mạnh mẽ của dịch lên men. Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 7 + Giai đoạn chậm dần: tốc độ sinh trưởng nấm men giảm dần, thành phần dịch lên men còn lại ít, các sản phẩm lên men được tích tụ nhiều. + Giai đoạn ổn định: số lượng tế bào nấm men không tăng nữa, tốc độ sinh sản bằng tốc độ chết. + Giai đoạn chết: tốc độ chết tăng nhanh, tốc độ sinh sản rất ít do đó số lượng tế bào nấm men giảm dần. 5. Các hình thức hô hấp của nấm men Ở nấm men hô hấp là quá trình hô hấp khá phức tạp, nó xảy ra theo hai chiều hướng khác nhau. Vì thế người ta phân thành 2 loại hô hấp : hô hấp hiếu khí và hô hấp yếm khí. II. Saccharomyces cerevisiae: Hình 1: Nấm men Saccharomyces cerevisiae Giới: Fungi Ngành: Ascomycota Lớp: Saccharomycetes Họ: Saccharomycetaceae Chi: Saccharomyces Loài: Saccharomyces cerevisiae: Đây là tên hiện nay dùng phổ biến, trước đây người ta gọi là Saccharomyces cerevisiae Meyer hay là S. ellipsoideus theo Lodder là Saccharomyces vini. Nấm men này phổ biến trong quá trình lên men nước quả chiếm tới 80% trong tổng số Saccharomyces có trong nước quả khi lên men. Khả năng kết lắng của nó phụ thuộc vào từng nòi: các tế bào dạng bụi hoặc dạng bông. Nguồn dinh dưỡng cacbon của loại này là đường, cồn và acid hữu cơ, những tác nhân sinh trưởng là acid pantotinic, biotin, mezoinozit, thiamin và piridoxin. Đa số các tế bào của loài này hình ovan có kích thước (3 – 8) x (5 – 12)  m, sinh sản theo lối nẩy chồi và tạo thành bào tử. Saccharomyces cerevisiae sinh ra enzyme invectara có khả năng khử đường sucrose thành fructose và glucose, vì vậy trong lên men ta có thể bổ sung loại đường này Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 8 Ở giai đoạn cuối lên men Saccharomyces cerevisiae kết lắng nhanh và làm trong dịch lên men Giai đoạn cuối cùng của quá trình lên men các tế bào Saccharomyces cerevisiae thường bị già, không tiếp tục chuyển hóa đường và bị chết rất nhanh. Chúng là nhóm vi sinh vật kỵ khí tùy tiện. Khi trong môi trường đủ lượng oxy nấm men phân hủy đường dùng làm nguồn năng lượng và cấu tạo tế bào tăng sinh khối. Trường hợp thiếu oxy (kỵ khí) nấm men sử dụng phần oxy hòa tan trong môi trường để sinh trưởng và chủ yếu là lên men. Trong quá trình lên men giai đoạn đầu yêu cầu oxy cao nhất để nấm men sinh sản, phát triển tăng sinh khối. Nếu có giai đoạn nhân giống thì cũng cần phải cung cấp oxy bằng cách lắc hoặc sục khí. .Đa số các loại nấm men hoạt động bình thường trong môi trường đường dưới 20%. Khi nhân giống thường dùng môi trường có đường thấp dưới 10%. Vùng pH tối thích của nấm men là 4 – 6  Yêu cầu đối với chọn nấm men thuần chủng: + Có hoạt lực lên men cao + Sử dụng đường cho lên men gần như hoàn toàn + Kết lắng tốt + Làm trong dịch lên men + Chịu được độ rượu cao và độ acid của môi trường cũng như các chất sát trùng Môi trường sử dụng nhân giống nấm men có thành phần như sau: Bảng 5: Thành phần môi trường nhân giống Thành phần Hàm lượng (g/l) Glucose 20 Dịch chiết nấm men 10 Peptone 20 (NH4)2SO4 5 KH2PO4 3 MgSO4.7H2O 0.5 pH ( điều chỉnh bằng KOH) 6 Phần 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 9 Nguyên liệu Chuẩn bị môi trường Tiệt trùng Lên men Lọc Kết tủa Li tâm Hòa tan trong H2SO4 Li tâm Hấp phụ than hoạt tính Trao đổi ion Cô chân không Sấy phun hai giai đoạn Nhân giống L – malic acid Vi sinh vật Bổ sung O2 Sinh khối Ca(OH)2 CaSO4 Dịch lỏng Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 10 Phần 3: GIẢI THÍCH QUY TRÌNH I. Chuẩn bị môi trường: 1. Mục đích: bổ sung chất dinh dưỡng cho nấm men sinh trưởng và phát triển, sinh tổng hợp acid malic. - Các nguyên tố cơ bản : C, H, N, O - Các yếu tố sinh trưởng : vitamin - Các nguyên tố khoáng: đa lượng, vi lượng Bảng 6: Thành phần môi trường lên men Thành phần Hàm lượng (g/l) Glucose 100 (NH4)2HPO4 2 (NH4)2SO4 3 KH2PO4 3 K2SO4 6.6 MgSO4.7H2O 0.5 Urea 1 Vitamin 1ml pH (điều chỉnh bằng KOH) 4.8 2. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: sử dụng bình khuấy trộn Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 11 Hình 2: Bình khuấy trộn - Thông số: + Tốc độ khuấy: 200 rpm + Môi trường kết hợp dạng lỏng + pH = 4.8 (hiệu chỉnh bằng KOH ) + Nhiệt độ = 300C . II. Tiệt trùng: 1. Mục đích: tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong môi trường mà ít làm biến đổi thành phần môi trường. 2. Các biến đổi: - Vật lý: có sự xuất hiện gradient nhiệt độ, sự thay đổi về thể tích, khối lượng, tỉ trọng. - Hóa học: có một số phản ứng hóa học xảy ra, thất thoát một số chất dinh dưỡng - Sinh học: các vi sinh vật bị tiêu diệt. - Hóa lí: có sự bốc hơi nước. 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Lượng môi trường đem đi tiệt trùng: - Nhiệt độ, thời gian: quá cao (quá lâu) đảm bảo tiêu diệt hết vi sinh vật nhiễm, nhưng sẽ thất thoát nhiều chất dinh dưỡng. 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: sử dụng thiết bị tiệt trùng liên tục Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 12 Trước khi bắt đầu hoạt động tất cả các thiết bị, đường ống dẫn và phụ tùng được thanh trùng bằng hơi quá nhiệt. Hơi nước được đưa vào bộ đun nóng theo đường viền của van điều chỉnh tiêu hao hơi, sau đó vào bộ giữ nhiệt, thu hồi nhiệt và theo đường viền của van giảm áp suất vào thiết bị làm mát. Cùng lúc mở các van giảm xả nước ngưng và khi đạt được nhiệt độ lớn hơn 110 o C thì bắt đầu ổn định thời gian tiệt trùng. Trong quá trình tiệt trùng phải đóng ngay van xả nước ngưng, mở các dụng cụ điều chỉnh tự động và t hiết lập chế độ làm việc. Hình 3: Thiết bị tiệt trùng liên tục 1- Thùng chứa; 2- Bơm; 3- Bộ đun nóng; 4- Bộ giữ; 5- Bộ lấy mẫu; 6- Thiết bị trao đổi nhiệt- thu hồi; 7- Thiết bị trao đổi nhiệt- thiết bị làm mát; 8- Thiết bị lên men. - Thông số: Điều kiện tiệt trùng: 110oC trong 20 phút III. Lên men: 1. Mục đích: chuyển hóa đường thành L- malic acid Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 13 2. Các biến đổi: - Vật lý: nhiệt độ tăng do sự trao đổi chất, sinh năng lượng của nấm men. - Hóa học, hóa sinh: diễn ra các phản ứng với sự xúc tác của các enzyme: - Sinh học: sự tăng sinh khối của tế bào nấm men do tiêu thụ chất dinh dưỡng của môi trường - Hóa lí: + Khí CO2 sinh ra hòa tan vào pha lỏng + pH thay đổi do có acid sinh ra, protein bị biến tính tạo kết tủa làm cho dịch lên men đục hơn 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Môi trường: thành phần dinh dưỡng của các chất trong môi trường phải đầy đủ cho sự phát triển của nấm men - Nồng độ chất khô: cao thì sẽ tăng hiệu suất quá trình lên men, nhưng cao quá sẽ ức chế sự sinh trưởng của nấm men do áp lực thẩm thấu. - Thành phần hóa học: tỉ lệ các chất trong môi trường phải cân đối - pH tối ưu cho sự phát triển của nấm men Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 14 - Nấm men: chủng sự dụng, lượng giống cấy, trạng thái sinh lí - Điều kiện lên men: + Kiểm soát nhiêt độ ổn định, nếu nhiệt độ quá cao sẽ làm biến tinh protein, vô hoạt enzym xúc tác các phản ứng hóa học. + Lượng O2 cung cấp đủ cho sự phát triển của nấm men 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: Thiết bị lên men bề sâu 63 m 3 18H10T . - - - - - - - - ; 9- B - - - - - - - - - - Hình 4: Thiết bị lên men bề sâu - Thông số: + pH = 4.8 + Nhiệt độ: 25 – 30 oC Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 15 + Tỉ lệ nấm men trong môi trường: 5 – 10 % + Thời gian: 3 ngày + Điều kiện môi trường: vô khuẩn + O2 : có IV. Lọc: 1. Mục đích: tách sinh khối nấm men ra khỏi dịch lên men, sinh khối có thể được tái sử dụng 2. Các biến đổi: - Vật lý: độ nhớt giảm - Hóa lí: có sự tách pha rắn ra khỏi pha lỏng 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Độ nhớt: cao gây khó khăn cho quá trình lọc - Nhiệt độ: ảnh hưởng đến độ nhớt, nhiệt độ cao thì độ nhớt tăng. 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị:dùng máy lọc khung bản + Nguyên lý hoạt động là sử dụng lực ép lớn để đưa chất lỏng có hàm lượng cặn cao qua màng lọc khung bản. Cặn được giữ lại trên các bản và được lấy ra định kỳ.Nước tháo ra liên tục qua hệ thống đường ống. Hình 5: Thiết bị lọc khung bản. Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 16 - Thông số: + Kích thước màng lọc: 3 μm + Độ ẩm nguyên liệu ~ 90%, độ ẩm bã ~ 30%. + Ưu điểm : - Thao tác đơn giản.- Hiệu suất lọc cao V. Kết tủa: 1. Mục đích: tạo ra kết tủa Calcium malate, sau đó tách kết tủa ra khỏi dung dịch. 2. Các biến đổi: - Vật lý: độ nhớt tăng, dung dịch đục hơn - Hóa học: xảy ra phản ứng: Ca(OH)2 + acid malic Calcium malate - Hóa lí: có sự tách pha ( Calcium malate lắng xuống ) 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Nồng độ acid malic: càng nhiều càng tạo ra nhiều kết tủa - Nhiệt độ cao tốc độ phản ứng sẽ tăng - Tốc độ thêm CaO : + Nhanh quá CaO sẽ phân bố không đều, hiệu suất không cao + Chậm quá thì thời gian kết tủa lâu 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: thiết bị phản ứng có cánh khuấy Hình 6: Thiết bị phản ứng có cánh khuấy. Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 17 - Thông số: + 180 – 250 kg CaO / m 3 + Nhiệt độ: 90oC + pH = 6.5 – 7 VI. Li tâm: 1. Mục đích: tách kết tủa calcium malate ra khỏi dung dịch. 2. Các biến đổi: - Vật lý: độ nhớt giảm, có sự thay đổi khối lượng, tỉ trọng. - Hóa học: hầu như không có phản ứng gì. - Hóa lí: có sự tách pha 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Yếu tố phân li:là đại lượng xác định thời điểm phân chia hỗn hợp thành hai pha, phụ thuộc vào tần số quay và bán kính trục máy li tâm. - Nhiệt độ: nhiệt độ cao làm tăng độ nhớt, giảm hiệu suất quá trình li tâm 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: dùng máy li tâm lắng Cấu tạo: gồm một máy ly tâm nằm ngang có sức chứa lớn,quay khoảng 3000rpm, lực ly tâm lớn làm cho các pha tách ra khỏi nhau nhờ vào tỉ trọng khác nhau của chúng. Khi máy hoạt động, hỗn hợp huyền phù được nạp theo ống 4 vào khoang trong của vít tải rồi qua cửa tháo 2 vào bên trong rôto. Dưới tác động của lực li tâm, huyền phù được phân chia và các tiểu phần của pha rắn được lắng trên tường của rôto. Chất lỏng trong chảy vào cửa rót, tràn qua ngưỡng rót và được tháo ra khỏi rôto. Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 18 Hình 7: Máy li tâm lắng - Thông số: + Đường kính trong của roto: 325 mm + Số vòng quay của roto: 3500 vòng/phút VII. Hòa tan trong H2SO4: 1. Mục đích: hòa tan kết tủa, thu nhận acid malic, tạo kết tủa CaSO4.. 2. Các biến đổi: - Vật lý: tăng độ nhớt, tăng nhiệt độ, độ đục của dung dịch tăng. - Hóa học: xảy ra phản ứng Canxi malate + H2SO4 = acid malic +CaSO4 - Hóa lí: có sự tách pha. 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Nồng độ muối canxi malate: càng nhiều thì hiệu suất càng cao - Tốc độ cho H2SO4: + Nhanh quá H2SO4 sẽ phân bố không đều, hiệu suất không cao + Chậm quá thì thời gian hòa tan lâu 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: sử dụng thiết bị phản ứng có cánh khuấy Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 19 - Thông số: dùng dd H2SO4 1M ( 440l/ m 3 ) VIII. Li tâm: 1. Mục đích: tách kết tủa Ca(SO4) ra khỏi hỗn hợp, thu acid malic 2. Các biến đổi: - Vật lý: giảm độ nhớt, độ trong dung dịch tăng - Hóa học: hầu như không có phản ứng gì. - Hóa lí: có sự tách pha rắn ra khỏi pha lỏng 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Yếu tố phân li:là đại lượng xác định thời điểm phân chia hỗn hợp thành hai pha, phụ thuộc vào tần số quay và bán kính trục máy li tâm. - Nhiệt độ: nhiệt độ cao làm tăng độ nhớt, giảm hiệu suất quá trình li tâm 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: dùng máy li tâm lắng IX. Hấp phụ than hoạt tính: 1. Mục đích: tách bỏ những tạp chất còn lẫn trong dung dịch acid. 2. Các biến đổi: - Vật lý: độ nhớt giảm, thay đổi về tỉ trọng, khối lượng. - Hóa lí: có sự hấp phụ các chất lên bề mặt than hoạt tính. 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Than hoạt tính: dùng than hoạt tính có kích thước lỗ xốp thích hợp, độ hấp phụ cao. 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: máy lọc bằng than hoạt tính Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 20 Hình 8: Thiết bị lọc bằng than hoạt tính - Thông số: + Độ xốp của than: 60 – 70 % + Lọc tạp chất có kích thước lớn hơn 0.5 μm X. Trao đổi ion: 1. Mục đích: khai thác, thu nhận acid malic có độ tinh sạch cao nhất. 2. Các biến đổi: - Vật lý: có sự thay đổi tỉ trọng, khối lượng, thể tích. - Hóa lí: có sự giảm độ ẩm. 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Nồng độ tạp chất: tạp chất nhiều thì thời gian thực hiện lâu, độ tinh sạch không cao. - Hoạt lực ion của acid malic: cao thì sẽ được giữ lại nhiều trên cột. 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: cột trao đổi anion Dolite A2 Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 21 Hình 9: thiết bị trao đổi ion + Cách thực hiện: cho dịch vừa được hấp phụ qua than hoạt tính qua cột trao đổi ion. Chọn cột trao đổi anion, do acid malic tích điện âm sẽ được giữ lại trên cột. Quá trình được lập lại cho đến khi không còn acid malic. Cột thu được đem rửa với nước cất thu acid malic. XI. Cô chân không: 1. Mục đích: khai thác,nâng cao nồng độ chất khô các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi nước. 2. Các biến đổi: - Vật lý: +Nồng độ chất hòa tan tăng, độ ẩm giảm +Nhiệt độ, độ nhớt, khối lượng riêng tăng +Thể tích, khối lượng giảm +Hệ số truyền nhiệt giảm - Hóa lí: có sự bốc hơi nước 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Nhiệt độ: cao thì thời gian thực hiện nhanh. 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: sử dụng thiết bị cô đặc chân không. Thiết bị gồm 3 phần cơ bản: buồng đốt ngoài, buồng bốc và thiết bị ngưng tụ + Buồng đốt: Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 22  Bên trong có nhiều ống được lắp đặt cạnh nhau tạo thành một chùm ống. Hai đầu của chùm ống được cố định bởi 2 vỉ ống và toàn bộ chúng được bao bọc bởi một lớp vỏ áo. Hơi nước được đưa vào bên trong lớp vỏ áo để gia nhiệt , còn chất lỏng được đưa vào khoảng không gian giữa các ống .  Chất lỏng được vào phần trên đỉnh buồng đốt và qua hệ thống phân phối lỏng chúng sẽ được phân phối một cách đều đặn ở mặt trong của ống, chảy xuống tạo thành một màng mỏng. Quá trình bốc hơi sẽ diễn ra tại đây nhờ nhiệt được cung cấp bởi hơi nước. Hơi nước ngưng tụ và chảy xuống ở mặt ngoài của ống.  Chất lỏng đã được cô đặc phần lớn sẽ được tháo ra ở đáy buồng đốt, một phần bị hơi nước lôi cuốn đi qua buồng bốc . + Buồng bốc:  Buồng bốc thường có đường kính lớn, là nơi phân ly hỗn hợp hơi và dung dịch cô đặc. Hơi thứ được hút sang thiết bị ngưng tụ, tại đây có thể bố trí hệ thống thu hồi các chất thơm dễ bay hơi.  Sau khi tách hơi, phần chất lỏng này cũng được tháo ra cùng với phần lỏng đã được cô đặc lấy ra ở buồng đốt rồi tiếp tục được xử lý tiếp ở quá trình sau. Còn hơi sẽ rời khỏi bộ phận tách hơi tại đỉnh. + Thiết bị ngưng tụ: Đưa nước vào tiếp xúc trực tiếp với dòng hơi, có thiết bị hút chân không đối với những hơi không ngưng. Hình 10: Thiết bị cô đặc chân không - Thông số: + Nhiệt độ cô đặc: không quá 60oC Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 23 + Áp suất cô đặc chân không: 0.09 -0.098 Mpa XII. Sấy phun hai giai đoạn: 1. Mục đích: khai thác và bảo quản. Làm bốc hơi nước tạo bột acid malic. Giảm hàm ẩm, tăng thời gian bảo quản 2. Các biến đổi: - Vật lý: nhiệt độ tăng, tạo gradient nhiệt độ ở mặt ngoài và mặt trong vật liệu. Có hiện tượng co thể tích, khối lượng riêng tăng lên, giảm khối lượng. - Hóa học: độ ẩm nguyên liệu giảm xuống dưới 5% - Hóa lí: có sự bốc hơi nước, tạo dạng bột. 3. Ảnh hưởng của các yếu tố: - Bản chất vật liệu sấy, cấu trúc thành phần hóa học, đặc tính liên kết ẩm. - Hình dáng vật liệu sấy, kích thước, chiều dày lớp vật liệu. - Độ ẩm ban đầu, độ ẩm tới hạn của vật liệu. - Tính chất của tác nhân sấy: khi sử dụng tác nhân sấy là không khí, tốc độ sấy phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ vận chuyển của không khí trong quá trình sấy. - Cấu tạo máy sấy, phương thức, chế độ sấy. 4. Thiết bị và thông số công nghệ: - Thiết bị: thiết bị sấy phun hai giai đoạn, sử dụng đầu phun li tâm. Hình 11: Thiết bị sấy phun hai giai đoạn Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 24 + Nguyên tắc hoạt động:  Bơm cao áp sẽ đưa nguyên liệu vào đầu phun. Nguyên liệu được đưa vào buồng sấy thông qua cơ cấu phun ly tâm.  Không khí nóng từ calorife được bơm vào theo phương tiếp tuyến với thiết bị tại đỉnh của buồng sấy, tạo dòng chảy xoắn ốc. Nguyên liệu và tác nhân sấy trộn lẫn với nhau.  Sản phẩm bột acid malic sẽ được thu nhận ở đáy buồng sấy, tiếp tục qua quá trình sấy tầng sôi để giảm hàm ẩm xuống 5%. Dùng tác nhân sấy là không khí nóng. Bột thu được sẽ được làm lạnh ( thổi không khí lạnh , đã tách ẩm vào ) để tránh hiện tượng vón cục  Những hạt bột chưa kịp lắng xuống dưới đáy buồng sấy , sẽ bị không khí thoát mang theo , đi vào các cyclon.  Tại cyclon các bột sản phẩm sẽ được thu hồi ở dưới đáy của cyclon.  Không khí thoát sẽ đi qua máy lọc khí ( Filer / Bag collector ) sau đó thoát ra ngoài - Thông số: + Thời gian sấy:Rất ngắn , khoảng vài giây cho đến 10 giây + Nhiệt độ không khí đầu vào của không khí: 180 -190 o C + Tốc độ quay: 10.000 – 30.000 rpm + Độ ẩm sản phẩm: 5% Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 25 Phần 4: SẢN PHẨM I. GIỚI THIỆU CHUNG: - Acid malic là một hợp chất hữu cơ, có CTHH là C4H6O5. Hợp chất thuộc loại axit đicacboxylic. - Tinh thể không màu, rất háo nước. Dễ tan trong nước và etanol. . Những hợp chất muối và ester của acid malic được gọi là malate. Anion malate là một chất trung gian trong chu trình acid citric cùng với fumarate. - Acid malic là một thành phần hoạt động trong nhiều loại quả chua hay chát như nho, táo, mận; trong cây bông, cây thuốc lá. Nó được tìm thấy trong hầu hết các loại quả chưa chin sẽ giảm dần khi trái chín. Nó có mặt trong nho, tạo nên vị chát trong rượu. - Acid malic được phân lập lần đầu tiên từ nước táo bởi Carl Wihelm Scheele năm 1785. Năm 1787, Antonie Lavoisier đề nghị đặt tên nó là acid malique được dựa vào tên trái táo trong tiếng Latin là malum - Malate giữ một vai trò quan trọng trong quá trình hóa sinh. Nó có mặt trong chu trình Calvin, chu trình acid citric như một chất trung gian. - Acid malic là một loại phụ gia thực phẩm, có kí hiệu là E296. Nó là một nguồn chất chát cực mạnh. - Có 3 dạng acid malic: D, L và DL + Axit D - malic (được điều chế từ axit D - tactric bằng cách khử với HI ở 130 oC) là tinh thể có tnc = 101 o C. + Dạng L tồn tại trong thiên nhiên (trái cây), kết tinh trong axeton, tnc = 100 oC, độ quay cực riêng với tia D ở 20 oC là –2,3o (dung môi H2O). L- malic acid được dùng trong:  Phụ gia thực phẩm trong sản xuất đồ uống, nước trái cây, kẹo. mứt trái cây và rượu mùi Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 26  Chất điều vị thuốc lá trong công nghiệp sản xuất thuốc lá  Làm tăng sự khuếch tán và hấp thụ của thuốc trong trị liệu chứng phù, huyết áp cao  Thành phần trong kem đánh răng, gia vị tổng hợp, chất tẩy và chất khử mùi + DL- acid malic là dạng bột hoặc hạt nhỏ tinh thể màu trắng hoặc gần trắng, có vị chua cực mạnh, tnc = 131 - 132 oC. Được giữ trong môi trường kín, tránh ánh sang mát và khô.  DL – malic co thể được sử dụng như một phụ gia thực phẩm trong sản xuất nước uống ( sữa, nước uống co gas), thực phẩm đông lạnh ( sherbet, kem), trong công nghệ thực phẩm ( rượu và mayonaise). Nó còn được sử dụng như một chất giữ màu và kháng khuẩn trong nước trái cây.Nó còn được dùng như chất ổn định hệ nhũ tương của lòng đỏ trứng.  DL-malic acid có thể dùng trong nghành dược,cọ rửa, làm sạch kim loại, mỹ phẩm, chất độn, chất ức chế trong công nghiệp dệt, chất phát huỳnh quang tẩy trắng sợi polyester. II. CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM: - Độ tinh sạch: 99% - Góc quay mặt phẳng phân cực: -1.6 – (-2.6)0 - Assen: < 0.2 mg/kg - Kim loại nặng (Pb): < 20 mg/kg - Chloride: < 0.004% - Sulfate: < 0.03% - Acid maleic: < 0.05% - Acid fumaric: < 0.1% Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 27 Phần 5: THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ - Axit malic còn được sàn xuất bởi những vi sinh vật khác như A. flavus, Rhizopus arrhizus và Paecilomyces varioti ( 48 g/l). Gần đây, một loại nấm men khác được phân lập từ Zygosaccharomyces rouxii có thể sản xuất được 75g/l axit malic trong môi trường tổng hợp chứa 30g/l glucose. - Những nghiên cứu gần đây khi sử dụng nhiều loại vi sinh vật để sản xuất axit malic, cho ta một kết quả khả quan là hiệu suất lên men tăng lên đồng thời lượng axit malic thu được là khá cao khi dùng Aspergillus flavus: 113g/l axit malic. Đây là một thành tựu đáng kể trong công nghiệp sản xuất phụ gia thực phẩm. - Nhưng một điều đáng lưu ý là chất aflatoxin sinh ra sẽ gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và qui định được có trong thực phẩm là 5ppb. - Do đó, có một số biện pháp khắc phục như sau: + Phương pháp vật lý:Có thể loại Aflatoxin bằng cách gia nhiệt, cách này không thể loại bỏ hết Aflatoxin. Nếu áp dụng cách này tuổi thọ sản phẩm sẽ bị giảm hoặc cũng có thể bị tái nhiễm. + Phưong pháp hóa học:Loại bỏ Aflatoxin bằng hơi ammoniac, bằng bột đất sét hoặc zeolit hay các tác nhân ankyl hóa. Nhược diểm của phưong pháp này là đắt tiền và không loại bỏ hết Aflatoxin. + Phương pháp sinh hoc:  Lên men lactobaccilus, chỉ có thể áp dụng cho các sản phẩm có nồng độ Aflatoxin thấp. Sản phẩm sau khi xử lý chỉ có thể dủng như một sản phẩm phụ.  Gần đây tập đoàn China Medicine của Trung Quốc đả thực hiện một dự án nghiên cứu và sản xuất thành công một sản phẩm sinh học là rADTZ(recombinant aflatoxin detoxifyzym enzym) : men (enzyme) tái tổ hợp để khử độc tính của aflatoxin . Hợp chất này là dẫn xuất của một men ngoại tế bào , men này có khả năng phá vỡ cấu trúc của aflatoxin. Do đó, rADTZ có triển vọng để làm khử độc tố aflatoxin trong thực phẩm và thức ăn gia súc.  Bản chất hóa học và cơ chế khử độc của rADTZ: - ADTZ là một men nội tế bào có khả năng khử độc của độc tố aflatoxin B1. ADTZ được điều chế từ một loại vi nấm vô hại cho người và động vật. Khối lượng phân tử là 51,8 kDa được xác định bởi kỹ thuật SDS-PAGE, một kỹ thuật dùng để tách protein dựa vào đặc tính điện di. pHi= 5,4 và khả năng tối ưu để khử độc tính aflatoxin là ở pH= 6,8 và nhiệt độ là 35oC . Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 28 - Trong những điều kiện thích hợp, rADTZ phản ứng với aflatoxin để phá vỡ cấu trúc vòng bifuran làm mất độc tính, và có chức năng như là một chất đối kháng của aflatoxin Sản xuất acid malic GVHD: PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn Trang 29 Phần 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Lụa , Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học ( tập 3 ), Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM.2008 [2] Lê Bạch Tuyết, Các quá trình công nghệ cơ bản trong sản xuất thực phẩm, Nhà xuất bản Giáo Dục. [3] Lê Ngọc Tú, Hóa sinh Công Nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội [4] Rintze M. Zelle, Appiled and Environmental Microbiology , Copyright 2008, American Society for Microbiology. ebook.edu.net.vn/resources/iportal/ebook/uploads/File/DHDaNang www.freepatentsonline.com/3980520.html