TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CITRIC BẰNG KỸ THUẬT LÊN MEN BỀ SÂU

ĐẶT VẤN ĐỀAcid citric là một loại acid hữu cơ với nhiều ứng dụng được sử dụng rộng rãitrong nhiều ngành công nghiệp.. Lên men là một lựa chọn được áp dụng nhiều nhất cho việc sản xuất ac

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA SINH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8 NĂM 2022

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA SINH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8 NĂM 2022

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về acid citric 2

1.1.1 Giới thiệu về acid citric 2

1.1.2 Đặc điểm 2

1.1.3 Ứng dụng 3

1.1.4 Nguồn nguyên liệu thu nhận 3

1.2 Tổng quan về nấm mốc Aspergillus 5

1.2.1 Giới thiệu 5

1.2.2 Phân loại 6

1.2.3 Đặc điểm sinh học 6

1.2.4 Đặc điểm sinh hóa 7

1.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men acid citric 7

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất 8

1.4.1 Nguyên liệu 8

1.4.2 Môi trường dinh dưỡng 8

1.4.3 Ảnh hưởng của pH 8

1.4.4 Quá trình sục khí 9

1.4.5 Ảnh hưởng nhiệt độ 9

1.5 Tình hình sản xuất trong và ngoài nước 9

2.1 Sơ đồ quy trình sản xuất 10

2.2 Thuyết minh quy trình sản xuất acid citric 11

2.2.1 Chuẩn bị dịch lên men 11

2.2.2 Lên men 11

2.2.3 Lọc thu dịch 13

2.2.4 Tạo tủa canxi citrate 14

2.2.5 Tách tủa canxi citrate 15

2.2.6 Cô đặc 16

2.2.7 Kết tinh 16

2.2.8 Sấy 17

KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Acid citric 2

Hình 2 Sản xuất acid citric bằng A niger 4

Hình 3 Nấm Aspergillus niger 6

Hình 4 Bào tử của Aspergillus niger 7

Hình 5 Thiết bị fermentor dùng trong lên men 14

Hình 6 Mô hình thiết bị lọc khung bản 15

Hình 7 Nồi trung hòa 16

Hình 8 Thiết bị lọc băng tải chân không 17

Hình 9 Thiết bị cô đặc chân không 17

Hình 10 Thiết bị kết tinh công nghiệp 18

Hình 11 Thiết bị sấy tầng sôi 18

ĐẶT VẤN ĐỀ

Acid citric là một loại acid hữu cơ với nhiều ứng dụng được sử dụng rộng rãitrong nhiều ngành công nghiệp Tổng sản lượng acid citric toàn cầu vượt 2.000.000tấn, phần lớn 70% sản lượng được dùng trong công nghiệp thực phẩm như trong sảnxuất đồ uống, bánh, kẹo, chất bảo vệ thực phẩm,… ngoài ra còn được sử dụng trongmột số ngành công nghiệp khác như chất tẩy rửa, dược phẩm mĩ phẩm,… Ngày nayvới nhu cầu sử dụng acid citric ngày càng tăng cao không chỉ trong nước mà cả trênthế giới, qua đó thấy được vai trò quan trọng của acid citric

Lên men là một lựa chọn được áp dụng nhiều nhất cho việc sản xuất acid citric từ

vi sinh vật với nhiều nguồn nguyên liệu phong phú hiện nay trong qui mô công nghiệp

Aspergillus niger là chủng nấm mốc có nhiều khả năng phù hợp được sử dụng trong

quá trình lên men cho năng suất cao và nguồn nguyên liệu đa dạng từ chế phẩm nôngnghiệp hay công nghiệp như bã mía, mật rỉ đường,… đây là những nguyên liệu sẵn có

và rẻ tiền tạo nên một qui quy trình sản xuất thân thiện với môi trường, duy trì năngsuất sản xuất cao Từ đó giúp giảm đáng kể giá thành sản xuất, đồng thời giải quyếtđược một lượng lớn các phụ phẩm nông nghiệp tránh ô nhiễm môi trường Đối với các

cơ sở sản xuất việc thiết kế, kiểm tra ,vận hành và tối ưu hóa quá trình sản xuất sẽ cóảnh hưởng lớn đối với nền kinh tế của doanh nghiệp Nếu biết chọn lựa qui trình, thiết

bị hay nguyên liệu sản xuất hợp lý thì sẽ đạt được hiệu quả sản xuất cao

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về acid citric

1.1.1 Giới thiệu về acid citric

Acid citric là một trong số ít các chất hóa học được tạo ra từ quá trình lên men và

là sản phẩm sinh hóa được khai thác nhiều nhất Acid citric được sử dụng rộng rãitrong nhiều lĩnh vực công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hóa chất

và như một chất tẩy rửa Ngành công nghiệp thực phẩm tiêu thụ lượng acid citric lớnnhất chiếm khoảng 70% tổng sản lượng, ngành dược khoảng 18% và 12% còn lại chocác ứng dụng khác Nguồn cung cấp acid citric tự nhiên bị hạn chế và nhu cầu chỉ cóthể được đáp ứng bằng các quy trình lên men công nghệ sinh học

Acid citric tồn tại trong các loại rau quả, chủ yếu là các loại quả thuộc chi Citrus.Chanh có hàm lượng acid citric cao đạt tới 8% khối lượng trong quả Hàm lượng củaacid citric nằm trong khoảng từ 0,005 mol/L đối với các loài cam, riêng bưởi chiếm tới0,030 mol/L Các giá trị này cũng phụ thuộc vào các điều kiện môi trường gieo trồng

Ở nhiệt độ phòng, acid citric là chất bột kết tinh màu trắng Có thể tồn tại ở dạngkhan hay dưới dạng ngậm một phân tử nước Dạng khan kết tinh từ nước nóng, trong

2

khi dạng monohydrat hình thành khi acid citric kết tinh từ nước lạnh Dạngmonohydrat có thể chuyển hóa thành dạng khan khi nung nóng tới trên 74°C Khi bịnung nóng trên 17°C, nó bị phân hủy để giải phóng dioxide cacbon và nước.

 Tính chất hóa học:

Acid citric là một chất có tính acid đặc trưng bởi nhóm COOH Theo đó, mỗi nhómCOOH có thể dễ dàng cho đi một proton và tạo thành ion citrat Các muối citrat tạothành đóng vai trò là dung dịch đệm, hạn chế sự thay đổi độ pH của các dung dịchacid Các ion citrat có khả năng kết hợp với các ion kim loại cho ra sản phẩm là muối,đặc biệt và phổ biến nhất hiện nay chính là canxi citrat Canxi citrat là thành phần chủchốt trong các tác bảo quản và lưu giữ hương vị cho thực phẩm Ion citrat còn có khảnăng kết hợp với ion kim loại để cho ra sản phẩm là các muối phức, được ứng dụngmạnh mẽ với mục đích làm mềm nước

1.1.3 Ứng dụng

Acid citric có tác dụng quan trọng trong việc tăng cường hương vị, đặc biệt làtrong ngành công nghiệp đồ uống, vì nó cung cấp một hương vị chua Ngoài ra, acidcitric có tác dụng ức chế sự phát triển của vi khuẩn và ngăn ngừa quá trình oxy hóa tráicây và rau quả tươi nên được ứng dụng chính trong lĩnh vực thực phẩm Ngoài ra acidcitric còn có mặt trong nhiều hoạt động sản xuất mỹ phẩm hay sản xuất và xử lýnước,

- Ứng dụng của acid citric dùng trong thực phẩm: Chất bảo quản thực phẩm tự nhiên,chất ổn định, chất chống oxy hóa, phụ gia thực phẩm

- Ứng dụng của acid citric trong mỹ phẩm: Sử dụng trong điều trị da không đều màu,

xử lý cháy nắng, cải thiện nếp nhăn, làm thông thoáng lỗ chân lông

- Ứng dụng trong công nghiệp chất tẩy rửa, làm sạch, khử trùng

- Ứng dụng trong dược phẩm

1.1.4 Nguồn nguyên liệu thu nhận

Nguyên liệu glucid: bản chất của quá trình lên men là oxy hóa đường thành acidcitric dưới tác dụng của vi sinh vật, một số nguyên liệu glucid như:

Mật rỉ: là một phụ phẩm của ngành sản xuất đường Thành phần chính chủ yếu làsucroza cùng một lượng nhỏ glucoza và fructoza Sản lượng mật rỉ đạt 1/3 sản lượngđường sản xuất; Tinh bột sắn; Ngô: hàm lượng glucid có trong ngô là cao nhất chiếm67.9%

3

Nguyên liệu vi sinh vật: Acid citric được tổng hợp chủ yếu từ các loài nấm sợi vì

chúng có khả năng sinh tổng hơp acid citric bao gồm: Citromycesglader; Citromyces

pfefferianu; Citromylces condiophone; Penicillium luteum; Penicillium glaucum; Aspergillus oryzae; Aspergillus niger; Aspergillus batae; Aspergillus awamari; Aspergillus welchi.

Trong các giống vi nấm kể trên Aspergillus niger là nấm sợi được ứng dụng vào

sản xuất acid citric nhiều nhất và đáp ứng được ba yêu cầu cơ bản về giống bao gồm:

có khả năng tạo acid citric rất mạnh, chịu được môi trường acid khi lượng acid citrictăng cao và ít tạo ra những acid hữu cơ khác như: acid oxalic, acid gluconic, acidfumalic,…

Aspergillus niger là sinh vật hiếu khí phát triển trên các chất hữu cơ, do đó nó có

thể được tìm thấy gần như ở khắp mọi nơi trong môi trường có chứa đất Ngoài ra, nócòn được tìm thấy trong chất thải, nguyên liệu thực vật phân hủy và phân hữu cơ trongmôi trường ngoài trời

Hình 2 Sản xuất acid citric bằng A niger

 Phương pháp sơ bộ về sản xuất acid citric

Quá trình tổng hợp sản xuất acid citric bằng công nghệ lên men là phương pháp cógiá trị kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Hơn 90% lượng acidcitric trên thế giới được sản xuất bằng công nghệ lên men, vì chúng có các ưu điểmnhư: quy trình đơn giản và ổn định; nhà máy thường ít phức tạp và các hệ thống điềukhiển đơn giản; không yêu cầu kỹ thuật cao và tiêu thụ năng lương ít hơn nên những

sự cố như mất điện không xảy ra gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của nhàmáy sản xuất

4

Sản xuất acid citric bằng công nghệ lên men gồm 3 giai đoạn: Chuẩn bị và cấynguyên liệu thô (inoculation)  Lên men  Thu hồi sản phẩm.

Trong quy mô công nghiệp thường sử dụng 3 phương pháp lên men sau:

 Phương pháp lên men bề mặt: được ứng dụng nhiều vào những năm đầu của thế

kỷ XX, phương pháp này các vi sinh vật phát triển hẳn trên bề mặt môi trường nằmgiữa pha rắn và pha khí hoặc giữa pha lỏng và pha khí Vì vậy có thể sử dụng 2 loạimôi trường là môi trường bán rắn và môi trường lỏng Quá trình lên men được hoànthành trong 8 – 12 ngày

 Phương pháp lên men chìm: là phương pháp cho sản lượng acid citric cao Môitrường lỏng được sử dụng, quá trình được thực hiện trong các thiết bị lên men có cánhkhuấy và có hệ thống thổi khí liên tục Tiến hành lên men ở 28 – 32oC trong 6 – 7ngày Quá trình lên men cần sử dụng CaCO3để điều chỉnh pH vì acid citric tạo thành

sẽ làm giảm pH xuống còn 1 – 1.5, điều chỉnh pH còn giúp canxi citrate lắng xuống.Kết thúc quá trình lên men, dùng H2SO4 để tách acid citric, sau đó tiến hành cô đặc vàkết tinh acid citric

 Phương pháp lên men bán rắn (phương pháp Koji): Độ pH tối ưu cần cho quátrình này là 4,5 – 6,0 và nhiệt độ đạt từ 28 – 30oC Phương pháp này đem lại năng suấtcao hơn, sử dụng nguyên liệu có giá thành rẻ, dễ tìm kiếm, tiêu thụ năng lượng thấp, íttạo nước thải và chi phí vận hành thấp

1.2 Tổng quan về nấm mốc Aspergillus

1.2.1 Giới thiệu

Aspergillus niger là một trong những loài vi sinh vật quan trọng được sử dụng

trong công nghệ sinh học Là loài phổ biến nhất trong chi Aspergillus, phân bố rộng rãi

trên các cơ chất tự nhiên, trong các sản phẩm nông công nghiệp và ở nhiều vùng địa lí

khác nhau trên thế giới Hiên nay, Aspergillus niger được sử dụng chủ yếu trong công

nghiệp sản xuất enzyme (điển hình như α – amylase, glucoamylase, pectinase,protease, cenlluase ) trong công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp sản xuấtmột số acid hữu cơ như acid citric, acid gluconic,

Bộ (Order): Eurotiales

Họ (family): Trichocomaceae

Chi (Genus): Aspergillus

Loài (Species): Aspergillus niger

1.2.3 Đặc điểm sinh học

Cấu trúc vi thể: bào tử dính dài trơn không màu hay nâu, thể bình hai đáy, túi nấm

tròn đầu xòe Aspergillus niger sinh sản bằng hình thức bào tử dính không túi bao bọc.

Cơ thể dạng sợi, gọi là khuẩn ty hay sợi nấm (hypha), nhiều sợi (lypha), hợp lại thành

hệ sợi nấm (mycelium) Khuẩn ty của nấm chỉ tăng trưởng ở ngọn và có vách ngăn,gồm hai loại:

 Khuẩn ty dinh dưỡng: khuẩn ty phát triển trong cơ chất, có kích thước nhỏ, màutrắng Các khuẩn ty bện chặt thành một khối rất dai, ăn sâu vào môi trường nuôi cấy đểhút dưỡng chất Khi già hệ sợi ngã sang màu vàng

 Khuẩn ty sinh sản: khuẩn ty phát triển trong không khí, có kích thước lớn hơnkhuẩn ty dinh dưỡng rất nhiều, trong suốt Khuẩn ty sinh sản hướng vào không khí đểlấy oxy, có khả năng tạo bào tử khi già

 Tóm lại, khi già hệ sợi có nhiều biến đổi: một số khuẩn ty dinh dưỡng tạo thànhcác hạch nấm làm hệ sợi ngã sang màu vàng Trong khi đó, khuẩn ty sinh sản hìnhthành các bào tử đính làm cho bề mặt khuẩn lạc có màu đen Thành của khuẩn ty nấm

có cấu tạo sợi, thành phần hóa học chính là chitin và glucan

 Cơ quan sinh sản có dạng như hoa cúc Cuống bào tử trơn nhẵn, trong suốt hoặcnâu nhạt, cuống bào tử có phần phình to ở đầu tạo thành bọng lớn dạng hình cầu đượcgọi là bọng đỉnh giá hình cầu (vesicle), trên có mọc lên những thể bình lad cơ quan tạobào tử đính (conidi) và ngọn thể bình sinh ra các chuỗi bào tử đính (conidia) Loài

Aspergillus niger được phân biệt với các loài khác trong chi Aspergillus bởi khối bào

tử đính màu đen

6

Hình 4.Bào tử của Aspergillus niger

1.2.4 Đặc điểm sinh hóa

 Khả năng đồng hóa các loại đường khác nhau

Aspergillus niger đồng hóa tốt các loại đường như glucose, fructose, saccharose,

mannose Đối với đường sorbose, galactose, Aspergillus niger đồng hóa ở mức khá tốt,

còn đường lactose thì đồng hóa ở mức trung bình

 Nguồn dinh dưỡng nito

Aspergillus niger có khả năng sử dụng ure làm nguồn N và chất điều chỉnh pH,

dưới tác dụng của enzyme urease, ure phân hủy thành CO2 và NH3 Aspergillus niger

đồng hoá các muối amon Việc sử dụng nguồn N hữu cơ, uresae và các muối amonđều gắn liền với việc tách NH3 ra rồi hấp thu vào cơ thể Như vậy NH3 là trung tâmcon đường dinh dưỡng nito của vi sinh vật

 Nguồn dinh dưỡng khoáng phospho

Sự có mặt của cá hợp chất phospho và nồng độ của chúng trong môi trường có ảnhhưởng rất lớn đến quá trình trao đổi chất trong tế bào vi sinh vật Thay đổi nồng độ cáchợp chất phospho trong môi trường sẽ dẫn đến thay đổi các quá trình tổng hợp hàngloạt các chất hợp phần của tế bào có chứa phospho, tế bào Ngoài ra, phospho có trongmôi trường còn có tác dụng điều chỉnh hoạt tính hệ enzyme đồng hóa các loại thức ăncacbon

 Khả năng sinh tổng hợp enzyme

Aspergillus niger có khả năng sinh các enzyme như amylase, protease, pectinase, α–

amylase, glucoamylase

1.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men acid citric

Trong quá trình này glucose được chuyển hoá thành acid pyruvic theo con đườngEMP (Embden-Mayerhof- Parnas), sau đó acid pyruvic tiếp tục chuyển hoá thành acidcitric Phương trình tổng quát của quá trình này như sau:

7

2C6H12O6 + 3O2→ 66H8O7+ 4H2O

Cơ chế của sự chuyển hoá này có thể được biểu diễn như sau: Đường C6H12O6

thuỷ phân thành acid pyruvic (CH3COCOOH):

CH3COCOOH + CO2 → HOOCCH2COCOOHHOOCCH2COCOOH + CH3COOH → Acid citric

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất

Trong quá trình thực hiện lên men có rất nhiều các thành phần cần phải chú ý kiểmsoát, vì chúng sẽ là những tác nhân ảnh hưởng tới năng suất tạo acid citric từ đó liênquan đến năng suất sản xuất

1.4.1 Nguyên liệu

Nguồn nguyên liệu chính trong sản xuất acid citric cần phải chứa lượng đường lớn

để đảm bảo cung cấp đủ trong quá trình lên men Vì sinh vật sẽ tiến hành oxy hóalượng đường đó để tạo thành acid citric Mật rỉ đường là nguyên liệu được nhấm tới vì

có nguồn đường lớn và đặc biệt chi phí thu mua rẻ rất phù hợp trong quá trình sảnxuất Nếu nồng độ trong môi trường lên men ban đầu cao khoảng 15  20% w/v thì cóthể nồng độ aicd citric được tạo ra có năng xuất cao nhất, ngược lại lượng đườngkhông đáp ứng đủ cho vi sinh vật chuyển đổi thì năng suất tạo acid citric kém Quantrọng hơn là nguyên liệu phải đươc xử lý không còn nhiều tập chất và kim loại nặngnhư sắt trước khi đưa vào sử dụng

1.4.2 Môi trường dinh dưỡng

Trong điều kiện môi trường bình thường, nấm mốc không tạo ra được nhiều acidcitric, để có thể tạo nhiều acid citric nấm mốc cần được bổ sung đường, tinh bột và cácmuối vô cơ Với điều kiện môi trường có chứa nhiều carbon (4-20%) và ít nitơ(0,07%) và còn bổ sung một số nguyên tố khoáng như P, Zn,… thì quá trình sinh tổnghợp acid citric sẽ thu được năng suất cao

1.4.3 Ảnh hưởng của pH

Tất cả các quá trình lên men đều bắt đầu từ bào tử và nảy mầm yêu cầu pH > 5(thích hợp nhất từ 3  4) Trong giai đoạn nảy mầm, các bào tử nảy mầm hấp thụamoniac và giải phóng proton, do đó giảm pH của môi trường và tạo điều kiện thuậnlợi cho việc sản xuất acid citric pH môi trường phụ thuộc vào nguồn nitơ, nếu dùngnguồn nitơ là NH4NO3 thì pH thích hợp là 3, nếu dùng NH4Cl thì pH thích hợp là 4.Trong quá trình lên men pH giảm mạnh tới 1.5, hình thành các sản phẩm không mong

8