Đề tài Sản xuất Tryptophan

Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 1 - PHẦN MỞ ĐẦU I/ Tổng quan về tryptophan: Axit amin là đơn vị cấu tạo của chất đạm thực phẩm. Não bộ cần để chế tạo các chất dẫn truyền thần kinh và cung cấp năng lượng. Hai loại axit amin quan trọng cho trí não là tryptophan và tyrosine. Hình 1: cơng thức cấu tạo phân tử Tryptophan Tryptophan: (S)-2-Amino-3-(1H-indol-3-yl)-propanoic acid Cơng thức phân tử: C11H12N2O2 Phân tử lượng: 204.23 g mol−1 Mã di truyền: UGG Tryptophan là acid amin cĩ khối lượng phân tử lớn nhất, cĩ nhân thơm khơng phân cực nên kị nước. Tryptophan là dẫn xuất của Alanine, cĩ nhĩm thế indole cĩ thể hấp thu mạnh bức sĩng của tia tử ngoại. Chức năng : - Tryptophan tốt cho hệ tim mạch, giúp kiểm sốt trọng lượng cơ thể vì nĩ làm giảm chứng thèm ăn. - Tryptophan giúp chữa chứng mất ngủ, giảm lo lắng, chữa đau đầu. - Kích thích phát triển hormones và giảm nồng độ cholesterol trong máu. - Tryptophan là tiền thân của chất làm dịu thần kinh serotonin. Cơ thể khơng tạo ra tryptophan được nên cần thực phẩm cung cấp. Mỗi ngày cơ thể cần từ 45 – 50g chất đạm. - Tryptophan giúp cơ thể sản sinh ra acid amino L-Trytophan cần thiết để cơ thể sinh ra serotonin và melatonin cĩ tác dụng giảm sự căng thẳng của hệ thần kinh vì thế giúp não bộ thư giãn. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 2 - Hình 2: Sơ đồ sinh tồng hợp Serotonin và Melatonin II/ Thực phẩm chứa tryptophan: Các loại thực phẩm hàng ngày cĩ chứa tryptophan như: thịt gia cầm, đậu nành, hạnh nhân, trứng, các loại đậu đỗ, cá và các thực phẩm giàu protein khác. Những thực phẩm chứa tryptophan đều chứa axit amino tyrosine cũng thường gây đầy bụng do giàu năng lượng vì thế nên ăn thêm đồ ăn cĩ chứa carbohydrates (cơ thể sinh ra insulin) để sử dụng tryptophan hiệu quả đồng thời trung hồ tyrosine. Tryptophan giúp tạo thành hợp chất 5-HT1A, gây cảm giác mệt mỏi. Chất 5-HT1A cũng cĩ thể chuyển hĩa thành melatonin, một hợp chất cĩ tác dụng an thần và ru ngủ. Tryptophan sẽ phát huy tác dụng tốt hơn nếu được kết hợp với thực phẩm giàu abumin. Do đĩ, bạn cĩ thể ăn thêm chút trái cây, ngũ cốc cĩ mật ong trước khi đi ngủ. Tiếp đến là thực phẩm chứa vitamin B, giúp giải tỏa bất an, dễ ngủ. Nhĩm vitamin này cĩ nhiều trong yến mạch, đại mạch, lúa mạch. Cuối cùng là thực phẩm chứa can-xi (cĩ trong sữa) và ma-giê (trong nhiều loại hoa quả) giúp xoa dịu thần kinh Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 3 - 1. Sữa Bộ não luơn cần amino axit được gọi là tryptophan để tạo ra serotonin, chính là sự hưng phấn của não bộ, giúp cho tinh thần vui vẻ , thoải mái và giữ được sự bình tĩnh. Sự hưng phấn được duy trì nhờ cĩ serotonin trong não nhưng tryptophan cịn giúp bạn tự chủ được nhiều hơn thế. Sữa cĩ chứa thành phần chống oxy hố, giúp phá huỷ các gốc tự do gắn liền với stress. Sữa đã tách kem với ngũ cốc cho bữa sáng là điều cần thiết cho bạn. 2. Gạo nguyên cám Với chế độ ăn ít hydrat-cacbon sẽ làm độ nhạy của các giác quan kém đi. Thực phẩm chứa hydrat- cacbon cĩ tác dụng kích thích tăng tiết serotonin và giải phĩng chậm cacbon phức hợp, giúp bình tĩnh và ở trạng thái vui vẻ hơn. Trong khi tất cả cacbon cĩ trong gạo hoặc bánh mỳ nguyên cám sẽ giúp cho tiêu hố chậm hơn, giúp tinh thần phấn chấn, sảng khối trong thời gian dài hơn thì những cacbon đơn cĩ trong bánh mỳ trắng và bột mỳ chỉ đem lại cảm giác nhất thời và nĩ cịn khiến bạn tăng cân. 3. Cá thu Dầu cá thu là một nguồn cung cấp omega-3 tốt nhất với tác dụng "nhấn chìm" sự chán nản thất vọng trong bạn. Chúng cũng làm tăng lượng serotonin trong não. Cung cấp đầy đủ axit béo omega-3 cĩ thể giúp tránh được tình trạng căng thẳng, stress. Ngồi ra, hầu hết các loại cá đều chứa vitamin nhĩm B, đặc biệt để chống lại stress (vitamin B6 và B12). Trên thực tế, vitamin B12 là một trong những vitamin quan trọng nhất liên quan đến sự tổng hợp serotonin tạo nên sự hưng phấn của não bộ. 4. Súp lơ xanh Một loại thức ăn khác để giảm stress là bơng cải xanh. Loại súp lơ xanh đậm này rất giàu axit folic, vitamin B. Nhiều nghiên cứu quy mơ đã chỉ ra rằng mức độ axit folic luơn tỉ lệ nghịch với cảm giác chán nản. Tức là nếu cơ thể càng nhiều axit folic thì càng ít bị stress. 5. Gà tây Thịt gà tây cĩ phenylalanine cao - một loại amino axit được biến đổi thành dopamine trong não, một chất kích thích thần kinh khiến tâm trạng trở nên phấn khởi hơn. Cũng như gà tây, phenylalanine được tìm thấy ở trong những thực phẩm chứa nhiều protein. Vậy nên bữa ăn cĩ nhiều protein giúp bạn hấp thụ chậm cacbon hydrat trong máu, tinh thần sẽ thoải mái nhiều giờ hơn sau khi ăn. 6. Gan Gan là một trong những nguồn giàu vitamin B6 nhất, một loại vitamin mà cơ thể cần để biến đổ i phenylalanine từ protein để cĩ một tâm trạng tốt. Nếu bạn khơng cung cấp đủ vitamin B6, bạn cĩ thể cảm thấy căng thẳng. Nếu gan khơng phải là mĩn ăn bạn thích thì cĩ thể bổ sung nguồn vitamin B6 từ gạo nguyên cám. 7. Thức ăn tạo cảm giác ngon miệng Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 4 - Khi ăn bất kì một mĩn ăn nào mà bạn cảm thấy cĩ vị ngon và thích thú với nĩ thì não sẽ được kích thích để sản xuất ra endorphin - một chất cĩ nhiệm vụ làm giảm đau cĩ tác dụng tương tự như thuốc phiện vậy. Bảng 1: Thành phần Tryptophan trong các loại thực phẩm khác nhau Tryptophan (Trp) Content of Various Foods Food Protein [g/100 g of food] Tryptophan [g/100 g of food] Tryptophan/Protein [%] egg, white, dried 81.10 1.00 1.23 spirulina, dried 57.47 0.93 1.62 cod, atlantic, dried 62.82 0.70 1.11 soybeans, raw 36.49 0.59 1.62 cheese, Parmesan 37.90 0.56 1.47 caribou 29.77 0.46 1.55 sesame seed 17.00 0.37 2.17 cheese, cheddar 24.90 0.32 1.29 sunflower seed 17.20 0.30 1.74 pork, chop 19.27 0.25 1.27 turkey 21.89 0.24 1.11 chicken 20.85 0.24 1.14 beef 20.13 0.23 1.12 salmon 19.84 0.22 1.12 lamb, chop 18.33 0.21 1.17 perch, Atlantic 18.62 0.21 1.12 egg 12.58 0.17 1.33 wheat flour, white 10.33 0.13 1.23 milk 3.22 0.08 2.34 rice, white 7.13 0.08 1.16 potatoes, russet 2.14 0.02 0.84 banana 1.03 0.01 0.87 Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 5 - PHẦN 1 : NGUYÊN LIỆU I/ MƠI TRƯỜNG 1/ Thành phần canh trường:  Cơ chất: a) Nguồn Cacbon: - Các hydrohydrate sử dụng sản xuất ra tryptophan là glucose , fructose, sucrose, maltose, lactose, dich thủy phân tinh bột , cellulose, mật rỉ … - Các acid hữu cơ như là acid acetic ,propionic, benzoic ,fomic , malic ,citric , fumaric … - Các rượu như là ethanol, propanol , inositol , glycerol - Các loại dầu : dầu đậu nành, dầu hướng dương, dầu đậu phụng, dầu dừa, acid béo khác : palmitic, stearic ,linoleic - Loại vi khuẩn nocardia dùng lên men các olefin và các ethyl alcohol, n – alkane chứa từ 10 – 30 nguyên tử cacbon , các loại dầu lửa , dầu thơ b) Nguồn nitơ: -Các nguồn nitơ vơ cơ: anoniac lỏng hay khí, amoni sulfate, amoni nitrate, amoni phosphate, amoni clorua , amoni carbonate… -Các nguồn nitơ hữu cơ: amoni acetate, nước chiết nấm men, nước chiết thịt , nước chiết malt, ure, peptone và các amino acid -Người ta thường dùng các loại muối chứa NH4 + như NH4Cl, ( NH4)2SO4 , NH4H2PO4 , (NH4)2HPO4 , NH4OH hay khí NH3 hoặc ure làm nguồn cung cấp nitơ. Trong cơng nghiệp người ta thường dùng NH3, dưới dạng nước , khí hoặc ure. Khi dùng ure cần quan tâm đến nồng độ ban đầu vì khả năng chịu đựng ure của mỗi giống mỗi khác. c) Nguồn khống và các nguyên tố vết: - Nguồn muối khống sử dụng nhiêu nhất là KH2PO4 , K2HPO4 , nồng độ thích hợp là 0,008 – 0,02 mg/l - Muối vơ cơ của các kim loại như là : Mg, Ca, P , K, Na, Fe…. d) Nguồn Vitamin: - Bổ sung các vitamin vì đây là nhân tố cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật . 2 vitamin quan trọng là : vitamin H và vitamin B1 - Vitamin H ( biotin) : Ảnh hưởng đến tính thấm của màng tế bào . Khi lượng này cao thì sẽ cho các acid amine cĩ tính kiềm ( như lysine) từ nội bào ra ngồi tế bào. Khi lượng này quá thấp thì sẽ làm cho các acid amine cĩ tính acid ( như là glutamic ) tiết ra ngồi. Lượng vitamin H thích hợp là : 15 - 20µg/ l - Vitamin B1: nếu khơng cĩ thì giống sẽ phát triển kém Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 6 - Bảng 2: ví dụ về 1 thành phần mơi trường lên men: Thành phần canh trường lên men tryptophan Glucose 130 g/l (NH 4 ) 2 SO 4 25 g/l KH 2 PO 4 1 g/l Fumaric acid 12 g/l Acetic acid 3 ml/l MnSO 4 .7H 2O 8 mg/l D-biotin 50 μg/l Vitamine B1-HCl 2000 μg/l L-tyrosine 650 mg/l DL-methionine 400 mg/l Soybean protein acid 50 ml/l hydrolysatesolution MgSO 4 .7H 2 O 1 g/l pH 6.5 2/ Chuẩn bị nguyên liệu: a/ Glucose: Tinh bột  Hịa bột Đường hĩaTrung hịa  Làm sạch và cơ đặc  Làm nguội  Kết tinh Ly tâm Sấy  Phân loại Glucose thành phẩm b/ Protein đậu nành: Là một sản phẩm được chế biến bằng cách trích ly protein từ đậu nành với hàm lượng protein cao (>90%) Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 7 - Hình 3: protein đậu nành Bảng 3: Thành phần cấu tạo của hạt đậu nành Bảng 4: Thành phần các acid amin trong protein đậu nành c/ Corn Steep liquor ( dịch chiết bắp) Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 8 - Hình 4: corn steep liquor Dùng nước cứng hịa tan amino acid của bắp sau đem ủ rồi cơ đặc đến 52.5% chất khơ. Thủy phân mẫu bằng HCL 6N trong 18h. Hầu hết acid được lọai bỏ khi chưng cất, phần cịn lại được trung hịa bằng NaOH 5N. cho enzym thủy phân vào, định mức thể tích mong muốn. những mẫu chưa thủy phân được pha lõang với NaOH 6N để đạt được pH 6.8. Tổng nitơ được đánh giá bằng phương pháp Kjeildahl. Nitơ amin được đánh giá bằng phương pháp Van Slyke. Bảng 5: Steep water Amino acid của bắp gồm : m-leucinc (Merck), nL-isoleucine (Merck), r,-glutamic acid (Pfanstiehl), nL-valine (Lemke), ni-threonine (Merck), L-lysine dihydro-chloride (Lemke), L- arginine hydrochloride (Lemkc), L-histidine (Lemke), L-proline (Merck), I%-phenylalanine (Lemke), DL-methionine (Merck), DL-aspartic acid (Monsanto), L-cystine (Pfanstiehl), m- serine (Lemke), L-tyrosine(Merck), and nL-alanine (Merck). Các amino acid này được bảo quản trong tủ lạnh bằng toluen. Canh trường này được ủ trong 24h ở 37oC và sau đĩ bảo quản trong tủ lạnh. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 9 - Sau khi thủy phân, khỏang ¼ nitrogen. Phần cịn lại thì arginine chiếm nhiều nhất, sau đĩ là glutamic acid. Phần khơng thủy phân chiếm ít amino acid hơn so với phần thủy phân. Bảng 6: Thành phần các amino acid trong dịch chiết bắp II/ VI SINH VẬT Các vi sinh vật thường dùng để sản xuất tryptophan Escherichia coli Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Brevibacterium lactofermentum Flavobacterium autothermophilium Arthrobacter globiformis Microbacterium ammoniaphilum Bacillus subtilis ----------------------------------- Trong phần này sử dụng E.Coli E. Coli: Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 10 - Hình 5: Vi khuẩn Escherichia coli Vực (domain): Bacteria Ngành (phylum): Proteobacteria Lớp (class): Gamma Proteobacteria Bộ (ordo): Enterobacteriales Họ (familia): Enterobacteriaceae Chi (genus): Escherichia Lồi (species): E. coli -Gram âm, kỵ khí tùy tiện, khơng sinh bào tử. -Tế bào hình que dài khoảng 2 μm, đường kính 0.5 μm, thể tích tế bào 0.6 - 0.7 μm3 -Là vi sinh vật ưa ấm, cĩ thể sống trong khoảng nhiệt độ 7 o C – 50 o C, nhiệt độ gây chết 60 o C – 65 o C trong 1 phút - Nhiệt độ phát triển tối ưu là 37oC -Cĩ thể sử dụng nhiều cơ chất khác nhau . -Được dùng để lên men acid trong điều kiện kỵ khí , tạo ra lactate, succinate, ethanol, acetate and carbon dioxide .Cĩ nhiều con đường lên men acid tạo ra khí hydro. -Topt 37 0 C, pH = 4.4-8.5 -Sinh trưởng trong điều kiện hiếu khí hay kỵ khí dùng nhiều cặp oxy hĩa khử khác nhau , bao gồm sự oxi hĩa pyruvic acid, formic acid, hydrogen và amino acids và sự giảm cơ chất như oxygen, nitrate, dimethyl sulfoxide và trimethylamine N-oxide. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 11 - PHẦN 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Hình 6: Quy trình cơng nghệ của quá trình sản xuất bột tryptophan Tiệt trùng Lên men Ly tâm Lọc Cơ đặc Nhân giống Bột Tryptophan O2 Vi sinh vật Chuẩn bị mơi trường Nguyên liệu thơ Nguyên liệu thơ Rắn Sấy phun Cặn Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 12 - PHẦN 3 : GIẢI THÍCH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ I/ Chuẩn bị mơi trường Là quá trình kết hợp nhiều tác động vật lý, hĩa học lên nguyên liệu ban đầu, để tạo ra mơi trường thích hợp cho quá trình lên men của vi sinh vật. a/ Mục đích : bổ sung chất dinh dưỡng cho vi sinh vật Các nguyên tố cơ bản : C, H, N, O Các yếu tố sinh trưởng : vitamin Các nguyên tố khống: đa lượng, vi lượng Đặc điểm mơi trường : Mơi trường kết hợp dạng lỏng pH = 6– 8 (hiệu chỉnh bằng NaOH ) Nhiệt độ =270C - 30oC Điều kiện mơi trường vơ khuẩn b/ Các biến đổi: Vật lý : Giảm độ nhớt Hĩa học : Nồng độ chất khơ bị giảm Hĩa lý : Tăng độ hịa tan, tăng khả năng liên kết của các chất. Do đĩ nâng cao độ đồng nhất của mơi trường. Hình 7: Thiết bị phối trộn Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 13 - II/ Tiệt trùng a/ Mục đích: tiêu diệt tồn bộ vi sinh vật trong mơi trường mà ít làm biến đổi thành phần mơi trường b/ Biến đổi: Sinh học: vi sinh vật bị ức chế tiêu diệt Vật lý: + Tạo gradient nhiệt độ +Cĩ sự thay đổi về thể tích, khối lượng, tỷ trọng Hĩa học: thay đổi tốc độ các phản ứng hĩa học Hĩa lý: cĩ sự bốc hơi nước, đơng tụ protein Hĩa sinh: enzym bị vơ hoạt do Protein bị biến tính. c/ Thiết bị và thơng số cơng nghệ: Điều kiện tiệt trùng: 120oC trong 10 phút Quá trình tiệt trùng cĩ thể sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng. Hình 8: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng.  Nguyên lý hoạt động: Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 14 - Bộ phận chính của thiết bị là những tấm bảng hình chữ nhật với độ dày rất mỏng và đ ược làm bằng thép không gỉ được ghép lại với nhau. Mỗi tấm bảng sẽ có bốn lỗ tại bốn góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt. Khi ghép các tấm bản mỏng lại với nhau, trên bộ khung của thiết bị sẽ hình thành nên những hệ thống đường ống vào và ra cho mẫu khảo sát và chất tải nhiệt chuyển động xen kẽ nhau. Mẫu khảo sát và chất tải nhiệt có thể chuyển động cùng chiều hay ngược chiều. Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, các nhà sản xuất sẽ bố trí hệ thống những đường dẫn thích hợp III/ Nhân giống: a/ Mục đích:Chuẩn bị b/Biến đổi: Sinh học:tămg sinh khối vi sinh vật. Vật lí:nhiệt độ tăng Hĩa lý: tạo thành hai pha: sinh khối và dịch mơi trường. c/Tiến hành: Chọn mơi trường: glucose Cho E.Coli vào mơi trường,điều chỉnh nhiệt độ ở 370 C và pH khỏang 7. d/Các yếu tố ảnh hưởng: nhiệt dộ, pH. IV/Lên men: Sản xuất tryptophan trong cơng nghiệp là quá trình tổng hợp sinh học và dựa trên sự lên men serine và indole sử dụng E.coli nguyên thủy và đột biến, xúc tác bởi enzyme tryptophan synthase. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 15 - Hình 9: Sơ đồ phản ứng sinh tổng hợp L-Tryptophan Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 16 - Bảng 7: Chú thích cho sơ đồ sinh tổng hợp L-Tryptophan G6P glucose 6-phosphate; F6P fructose 6-phosphate F1,6DP fructose 1,6 diphosphate G3P glyceraldehyde 3-phosphate Ru5P ribulose 5-phosphate R5P ribose 5-phosphate X5P xylulose 5-phosphate S7P sedoheptulose 7-phosphate PYR pyruvate PEP phosphoenolpyruvate E4P erythrose 4-phosphate DAHP 3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate CHA chorismate PPA prephenate ANT anthranilate L-Gln L-glutamine L-Glu L-glutamate L-Phe L-phenylalanine L-Tyr L-tyrosine L-Trp L-tryptophan IICB Glc glucose-specific integral membrane permease TCA tricarboxylic acid cycle PTS phosphotransferase transport system tktA transketolase aroG fbr feedback inhibition resistant DAHP synthase trpED anthranilate synthase-phosphoribosyl transferase complex. a/ Mục đích: chuyển hĩa cơ chất thành tryptophan. b/ Các biến đổi: Hĩa sinh: diễn ra các phản ứng với sự xúc tác của các enzim: Sinh học: sự tăng sinh khối của tế bào vi sinh vật do tiêu thụ chất dinh dưỡng của mơi trường Vật lý: nhiệt độ tăng do sự trao đổi chất, sinh năng lượng của vi sinh vật Hĩa lý: Khí CO2 sinh ra hịa tan vào pha lỏng pH thay đổi do cĩ acid sinh ra, protein bị biến tính tạo kết tủa làm cho dịch lên men đục hơn c/ Các yếu tố ảnh hưởng:  Mơi trường: Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 17 - Nồng độ chất khơ: cao thì sẽ tăng hiệu suất quá trình lên men, nhưng cao quá sẽ ức chế sự sinh trưởng của vi khuẩn do áp lực thẩm thấu. Thành phần hĩa học: tỉ lệ các chất trong mơi trường phải cân đối pH tối ưu cho sự phát triển của vi khuẩn  Vi khuẩn: chủng sự dụng, lượng giống cấy, trạng thái sinh lí  Điều kiện lên men: Kiểm sốt nhiêt độ ổn định, nếu nhiệt độ quá cao sẽ làm biến tinh protein, vơ hoạt enzym xúc tác các phản ứng hĩa học. Lượng O2 cung cấp đủ cho sự phát triển của vi khuẩn d/ Thơng số cơng nghệ: Thơng số pH 5-11 (pHopt = 6 – 8) Nhiệt độ 20-45oC (Topt = 25 -37oC) % vi khuẩn trong mơi trường 3-10% Thời gian 12h – 120h (topt: 24h-96h) Điêu kiện mơi trường Vơ khuẩn Tác nhân base Cĩ O2 Cĩ e/ Thiêt bị: bề sâu 63 m3. . 2,6:1. . Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 18 - Hình 10: 63 m 3: V/ Ly tâm: a/ Mục đích: - Làm sạch, nâng cao chất lượng sản phẩm - Khai thác thu nhận sản phẩm từ hỗn hợp bao gồm pha rắn và dịch lỏng b/ Biến đổi: Vật lý : thay đổi độ nhớt Hĩa lí: cĩ sự tách pha : pha lỏng và pha rắn Hĩa học: hầu như khơng thay đổi gì về thành phần hĩa học, tuy nhiên cĩ tổn thất một ít chất béo, vitamin, chất màu… theo cặn c/ Các yếu tố ảnh hưởng - Nhiệt độ: nhiệt độ cao làm tăng độ nhớt, hiệu suất của quá trình giảm. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 19 - - Độ nhớt: cao thì hiệu suất quá trình giảm d/Thiết bị, nguyên tắc hoạt động: - Dùng máy lắng ly tâm - Thiết bị: gồm một máy ly tâm nằm ngang cĩ 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 (bã > dịch lỏng). Khi máy hoạt động, nguyên được nạp theo ống 4 vào khoang trong của vít tải. Dưới tác động của lực li tâm, nguyên được phân chia và các tiểu phần của pha rắn được lắng trên tường của rơto. Chất lỏng trong chảy vào cửa rĩt, tràn qua ngưỡng rĩt và được tháo ra khỏi rơto. Hình 11: Thiết bị lắng li tâm Thơng số: - Đường kính trong của roto: 325 mm - Số vịng quay của roto: 3500 vịng/phút VI/ Lọc: a/ Mục đích: - Làm sạch, nâng cao chất lượng sản phẩm - Khai thác thu nhận sản phẩm từ hỗn hợp bao gồm pha rắn và dịch lỏng - Tách bỏ sinh khối và 1 số chất cĩ khối lượng phân tử lớn b/ Biến đổi: Vật lý : + Thay đổi độ nhớt + Hệ số truyền nhiệt của dung dịch tăng Hĩa lí: cĩ sự tách pha c/ Các yếu tố ảnh hưởng: - p: là động lực quá trình lọc. Khi p tăng tốc độ lọc tăng lên, nhưng phải cĩ giới hạn. Nếu quá pmax bã sẽ bị nén chặt, các ống mao quản bị thu hẹp lại, lúc đĩ tốc độ lọc tăng chậm hơn so với sự Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 20 - tăng áp suất và đến mức cĩ thể giảm đi, chất lỏng khơng chui qua được lớp lọc. Mặt khác khi p tăng quá cao cĩ thể làm rách vải lọc và phá vỡ lớp vật ngăn. Tùy theo phương pháp lọc ta khống chế các giá trị p khác nhau. -c/Thiết bị, nguyên tắc hoạt động: Sử dụng thiết bị siêu lọc với màng siêu lọc membrane tách được những phần tử cĩ kích thước: 1 – 100nm pH = 7.5 Hình 12: Thiết bị siêu lọc Ultrafiltration equipment 1-filtration cell (phịng lọc) 2-ultrafiltration membrane (membrane siêu lọc) 3-magnetic stirrer (máy khuấy từ) 4-pressure source (bình tạo áp lực) 5-selector (bộ lọc) 6-reservoir (thùng chứa) Hình 13:màng siêu lọc membrane Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 21 - VII/Cơ đặc chân khơng: a/Mục đích: - Khai thác: nâng cao nồng độ chất khơ các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi nước. b/Biến đổi:  Vật lý: +Nồng độ chất hịa tan tăng, độ ẩm giảm +Nhiệt độ, độ nhớt, khối lượng riêng tăng +Thể tích, khối lượng giảm +Hệ số truyền nhiệt giảm Hĩa lí: + Keo tụ protit + Sự bốc hơi nước  Sinh học: hạn chế hoạt động của vsv do nồng độ chất khơ cao. c/ Các yếu tố ảnh hưởng d/ Thiết bị và thơng số cơng nghệ Nhiệt độ cơ đặc: khơng quá 60oC Áp suất cơ đặc chân khơng: 0.09 -0.098 Mpa  Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Thiết bị gồm 3 phần cơ bản: buồng đốt ngồi, buồng bốc và thiết bị ngưng tụ Buồng đốt Bên trong cĩ 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 tồn bộ chúng được bao bọc bởi một lớp vỏ áo. Hơi nước được đưa vào bên trong lớp vỏ áo để gia nhiệt , cịn chất lỏng được đưa vào khoảng khơng 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 ngồi của ống. Chất lỏng đã được cơ đặc phần lớn sẽ được tháo ra ở đáy buồng đốt, một phần bị hơi nước lơi cuốn đi qua buồng bốc. Buồng bốc Buồng bốc thường cĩ đường kính lớn, là nơi phân ly hỗn hợp hơi và dung dịch cơ đặc. Hơi thứ được hút sang thiết bị ngưng tụ, tại đây cĩ thể bố trí hệ thống thu hồi các chất thơm dễ bay hơi. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 22 - Sau khi tách hơi, phần chất lỏng này cũng được tháo ra cùng với phần lỏng đã được cơ đặc lấy ra ở buồng đốt rồi tiếp tục được xử lý tiếp ở quá trình sau. Cịn hơi sẽ rời khỏi bộ phận tách hơi tại đỉnh. Thiết bị ngưng tụ: Đưa nước vào tiếp xúc trực tiếp với dịng hơi, cĩ thiết bị hút chân khơng đối với những hơi khơng ngưng. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 23 - Hình 14: Thiết bị cơ đặc chân khơng: VIII/ Sấy phun:  Bản chất: là sự bốc hơi nước của sản phẩm bằng nhiệt, là quá trình khuyếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu , hay nĩi cách khác do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và mơi trường xung quanh. a/ Mục đích:  Chuẩn bị: tách bớt nước, giảm khối lượng sản phẩm vận chuyển  Khai thác: tăng hàm lượng chất khơ.  Bảo quản: sấy đến lượng nước tối thiểu, vi sinh vật khĩ phát triển - bảo quản sản phẩm được lâu. Sấy đến độ hoạt động của nước: aw= 0.25 – 0.35 vì đĩ là điểm bảo quản tối ưu của các sản phẩm cĩ tính sinh học khi khơng sử dụng lạnh.  Hồn thiện: bảo đảm màu sắc sản phẩm và độ sáng bĩng, tăng độ bền sản phẩm b/Biến đổi:  Vật lý: - Cĩ hiện tượng co thể tích, khối lượng riêng tăng lên – giảm khối lượng do lượng nước bay hơi. - Cĩ sự biến đổi của nhiệt độ: tạo gradient nhiệt độ ở mặt ngồi và mặt trong vật liệu  Hĩa lý: - Khuếch tán ẩm: ẩm khuếch tán từ lớp ngồi vào trong vật liệu do dãn nở vì nhiệt. - Hiện tượng chuyển pha từ lỏng sang hơi của ẩm, vật liệu chuyển từ dạng sệt sang bột  Hĩa học: - Độ ẩm giảm.độ ẩm cuối dưới 16%. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 24 - - Biến đổi hĩa học xảy ra 2 khuynh hướng: + Tốc độ phản ứng hĩa học tăng lên do nhiệt độ vật liệu tăng như: phản ứng oxy hĩa khử, phản ứng Maillard (phản ứng tạo màu khơng enzyme của protein và đường khử + Tốc độ phản ứng hĩa học chậm đi do mơi trường nước bị giảm dần: 1 số phản ứng thủy phân c/ Các yếu tố ảnh hưởng: - Bản chất vật liệu sấy, cấu trúc thành phần hĩa 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 khơng khí, tốc độ sấy phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ vận chuyển của khơng khí trong quá trình sấy. - Cấu tạo máy sấy, phương thức, chế độ sấy. d/ Thiết bị và thơng số cơng nghệ: Sử dụng đầu phun ly tâm Hình 15: Đầu phun li tâm Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 25 - Hình 16: Hệ thống sấy phun  Nguyên lý hoạt động đầu phun ly tâm - Buồng hình trụ thấp. Khơng khí nĩng được bơm vào theo phương tiếp tuyến với thiết bị tại đỉnh của buồng sấy, tạo dịng chảy xoắn ốc. Nhập liệu được đưa vào buồng sấy thơng qua cơ cấu phun ly tâm. Bởi vì dịng chảy xoắn ốc gây ra bởi tác nhân sấy, những hạt cĩ khuynh hướng đập vào thành buồng sấy. Loại buồng này thích hợp cho thực phẩm khơng quá mẫn cảm với nhiệt độ và dính. - Bơm cao áp sẽ đưa nguyên liệu vào đầu phun. Nguyên liệu từ đầu phun sẽ được phun vào buồng sấy. - Đồng thời lúc đĩ khơng khí nĩng từ caloriphe cũng được đưa vào buồng sấy. - Sản phẩm Tryptophan bột sẽ được thu nhận ở đáy buồng sấy. - Những hạt bột chưa kịp lắng xuống dưới đáy buồng sấy , sẽ bị khơng khí thốt mang theo , đi vào các cyclon. - Tại cyclon các bột sản phẩm sẽ được thu hồi ở dưới đáy của cyclon. - Khơng khí thốt sẽ đi qua máy lọc khí ( Filer / Bag collector ) sau đĩ thốt ra ngồi. Việc tuần hồn khí thải để tiết kiệm trong trường hợp này là khơng thực tế vì quá trình thu hồi bột sẽ mất nhiệt rất nhiều. - Bột thu được sẽ được làm lạnh ( thổi khơng khí lạnh , đã tách ẩm vào ) để tránh hiện tượng vĩn cục Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 26 -  Thơng số cơng nghệ: Thời gian sấy :Rất ngắn , khoảng vài giây cho đến 10 giây Nhiệt độ khơng khí đầu vào của khơng khí: 120 -130 oC Tốc độ quay ( đầu phun ly tâm ) : phụ thuộc vào bán kính của đĩa Tốc độ trung bình : 10.000 – 30.000 rpm Kích thước khe phun: phụ thuộc vào độ nhớt chất lỏng , kích thước hạt bột mong muốn . Lưu lượng phun ra sẽ quyết định đến nhiệt độ sấy và độ ẩm của bột Muốn tạo ra bột cĩ kích thước hạt lớn ta dùng đầu phun cĩ kích thước khe phun lớn , áp lực nhỏ Muốn tạo ra bột cĩ kích thước hạt nhỏ thì dùng đầu phun cĩ kích thước khe phun nhỏ, áp lực lớn. PHẦN 4 : SẢN PHẨM Hình 17: Sản phẩm Tryptophan dạng viên và bột L-Tryptophan (Standard: AJI92 & USP30) Hình dạng: dạng bột tinh thể màu trắng Specific Rotation: -30.5° ~ -32.8° Chloride (Cl): 0.02% Max. Ammonium (NH4): 0.02% Max. Sulfate (SO4): 0.02% Max. Iron (Fe): 20ppm Max. Heavy Metals Pb: 10 ppm max As: 2 ppm max Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 27 - Cd: 1 ppm max Hg: 0.1 ppm max Arsenic (AS2O3): 1ppm Max. Các amion acids khác: chiếm tỉ lệ nhỏ sao cho phương pháp hùynh quang khơng nhận biết được Tổn thất trong quá trình sấy: 0.20% Max. Hàm lượng tro: 0.10% Max. PHẦN 5 : THÀNH TỰU CƠNG NGHỆ I/ Sản xuất tryptophan từ ADN tái tổ hợp -Nghiên cứu nĩi về phương pháp sản xuất L-Tryptophan bằng lên men và đề cập riêng về phương pháp lên men L-tryptophan sử dụng Coryneform glutamic acid và vi khuẩn tái tổ hợp gen. -Khi L-tryptophan được sản xuất bằng lên men,vi sinh vật đột biến nhân tạo được sử dụng để sản xuất tryptophan vì các giống nguyên thủy khĩ sản xuất tryptophan ở bên ngồi tế bào. -Cĩ thể sử dụng những tế bào đột biến từ các giống như Brevibacterium, Microbacterium hay - Corynebacterium ,chúng chịu được 5-methyltryptophan. Corynebacterium thì cần tyrosine và phenylalanine để phát triển và chúng chịu được chất kháng phenylalanine.Bacillus đột biến thì chịu được 5-fluorotryptophan. Brevibacterium đột biến thì chịu được 5-methyltryptophan và m- fluorotryptophan. -Mặt khác một vài báo cáo gần đây cịn đề cập đến kĩ thuật tái tổ hợp gen khác từ kĩ thuật đột biến nhân tạo được đề cập ở trên.Ví dụ như trong báo cáo của Appl. Environ. Microbiol. 38, (2), 181-190 (1979),đột biến đặt trưng của Escherichia coli chứa plasmid cĩ gen trp E 472 sản xuất khỏang 1.3 g/l L-tryptophan.Bên cạnh đĩ cịn đề cập đến trong Proceedings of 1980 Annual Meeting of the Society of Fermentation Technology, Japan E.coli đột biến chứa plasmis cĩ tryptophan operons sản xuất được 360 mg/l L-tryptophan. -Mặc dù 1 vài nhà nhà sản xuất đã biết đến đột biến vi khuẩn Coryneform glutamic acid đề cập ở trên,nhưng khơng cĩ dấu hiệu nào cho thấy các nhà sản xuất sử dụng Coryneform-bacteria như ở trên để dù nĩ cĩ tiềm năng lớn trong việc sản xuất L-tryptophan. -Đối tượng của nghiên cứu là cung cấp phương pháp mới để sản xuất L-tryptophan bằng lên men sử dụng Coryneform bacteria đã được tái tổ hợp gen. -Phương pháp để sản xuất L-tryptophan bằng canh trường vi sinh vật và sau đĩ thu nhận L- tryptophan tích lũy được từ canh trường lỏng,vi sinh vật thu nhận bởi thêm một đọan gen cĩ chứa plasmis cĩ khả năng tự tái tạo tế bào Coryneform-bacteria rối sau đĩ kết hợp plasmis vào trong DNA của tấ bào nhận phụ thuộc vào Coryneform-bacteria. Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 28 - - Đọan gen sẽ đuợc chuyển từ DNA tế bào cho vào DNA tế bào nhận rồi plasmis được kết hợp khơng chặt chẽ thu nhân được từ Coryneform-bacteria và địi hỏi ít nhất mơt lượng L-tryptophan cho sự sinh trưởng mà khi sử dụng vi sinh vật đột biến khơng cần bổ sung L-tryptophan . II/Sản xuất Halo L-Tryptophan Phương pháp sản xuất halo-L-tryptophan từ haloindole, canh trường chứa haloindole, pyruvic acid and ammonia cho tới khi halo-L-tryptophan được sản xuất , và thu nhận halo-L-trypophan. Canh trường vi sinh vật phụ thuộc giống Proteus gồm : Morganella morganii, Providentia stuartii. Ví dụ : Bảng 8: thành phần canh trường sản xuất Halo L-Tryptophan Điều kiện : -pH : 7.0 -Tiệt trùng : 120o C trong 10phút , sau đĩ làm nguội , cho giống vào canh trường -Sau 24h lên men phản ứng dừng , cơ đặc trong 5 phút . Bảng 9:Lượng sản phẩm Halo L-Tryptophan tùy theo giống vi sinh vật sử dụng: Strains Amount of 5-fluoro-L- tryptophan produced (g/l) Proteus vulgaris ATCC 13315 20.3 Proteus mirabilis ATCC 29906 5.2 Proteus myxofaciens ATTC 19692 4.5 Proteus penneri ATCC 33519 4.2 Providencia stuartii ATCC 33672 17.8 Morganella morganii ATCC 8019 3.4 Bacillus subtilis ATCC 13962 (Comparative Example) 0 Brevibacterium ketoglutamicum ATCC 15587 (Comparative Example) 0 Succinic acid 5g/l casamino acid 10 g/l Bột chiết nấm men 3 g/l Dung dịch bắp 60 ml/l L-tryptophan 5 g/l K 2 HPO 4 5 g/l MgSO 4 . 7H 2 O 0.5 g/l FeSO 4 . 7H 2 O 0.01 g/ l MnSO 4 . 4H 2 O 0.01 g/l Triton X100 50 g/l Sản xuất Tryptophan PGS-TS Lê Văn Việt Mẫn - 29 - Enterobacter cloacae ATCC 7256 (Comparative Example) 0 PHẦN 6 : TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Lụa , Quá trình và thiết bị trong cơng nghệ hĩa học ( tập 3 ), Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM.2008 [2] Lê Bạch Tuyết, Các quá trình cơng nghệ cơ bản trong sản xuất thực phẩm, Nhà xuất bản Giáo Dục. [3] Lê Ngọc Tú, Hĩa sinh Cơng Nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội