đề tài công nghệ sản xuất xylitol bằng phương pháp lên men

Phương pháp thực hiện: Dịch axid và bã mía được gia nhiệt lên 100-125oC trong Thực hiện : Bán thành phẩm từ thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp bã mía và dịch axid được thủy phân liên tục

IL, Quy trinh 1én men gan xudt xylitol c ccccssssesssssssssssessssssssssessssssssssssessessessnssessessssssvessssssssssees 16

II Giải thích qui trình công ng hỆ, - 5 ch TT ng nen ererere 16

1 Nba ging s cecccccsssssesssssssssvesssssssssvecscsssssssveccsssssssvsccesssssnuseceesssssssvscesssssssvseesssssssessese 16

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ 5XyÌO§e - 222cc 2c2cvvYeeeticrrrvrxererrrrrkrrrreee 4

Hình 2: heza và pentoza có trong thành phần hemixenluloza . -ccc-c:-::- 5

Hình 3: Cấu trúc chủ yếu của lignin

Hinh 4: Nm men C.Tropicalig.ccccccsssssssssssssssssessessessseessessessssessessessssvecesssssssvecsesssssssveessesssssesves

Hinh 5:Nam men C guilliermondiicsrseccccscsssssessssssssssessessesssssessessessssvecsessssssseesssssssssveesssssssssveess 9

Hình 6: Qui trình xử lý nguyén LIỆU (s1 g1 g1 xen rerere 10 Hình 7: máy xay bấ Lo TH nọ n1 79 1g ven re rere 10

Hình §: Thiết bị thưỷ phân bã mmía -2 -222222e+t922E2212X1211222211321112112112322121211x ee 12

Hình 10: Cấu trúc lỗ hỏng của than hoạt tính và than hoạt tính dạng bột mịn 14 Hình 11: Thiết bị lọc than hoạt tính 2c Se+9E++9EE+xtSEExEvSEExeSSELEvSSErevsvkresrk 14

Hình 12: Thiết bị cô đặc chân không .-c-+ ©c2cvvYeceeEEEEEEEELeeiEEErkkrrreirrrrrrrree 15 Hình 13: Qui trình sản xuất xylitOl ccc -©2222222eet9E2E2112XEE11121131 12111113 10c

Hình 15: Ảnh hưởng của thế oxy lên hiệu suất Xylitol (ô vuông) và ethanol (dấu tròn) 18

Hình 17: Sơ đồ hệ thống trao đổi ion - 222cc 22C e1 e1 ree 19

Hình 18: Thiết bị cô đặc chân không .-c-+ ©c2cvvYeceeEEEEEEEELeeiEEErkkrrrrirrrrkrrree 20

Hình 19: Sơ đề thiết bị lên men

DANH MỤC BÁNG

Bảng 1: Bảng số lượng các nhóm chức của lingnin ccccc2222ECveveersrrrkrrrrerrree 6

Bảng 2: Thành phần gỗ brich thuỷ phân 222 2222222ce22EEC2.2 1111112111111 re 7

Bảng 3: Thành phần hoá học của bắp

— ÔỎ 24 Bảng 5: ảnh hưởng của các phương pháp xử lý vật lý và hoá học khác nhâu trên thành phần trấu gạo(g/kg) - -s 22H HH HH n0 Hee 25

I Giới thiệu

1 Xylitol :

Xylitol 14 mét chat lam ngọt xuất hiện tự nhiên Nó có thể được tìm thấy, ví dụ: trong quả dâu tây,

rau quả và nấm Tiếng Phần Lan gọi nó là " koivusokeri " hay " đường phong "' Cách tốt nhất để sản

xuất xylitol là chiết xuất từ cây Bulô ,bằng việc băm nhỏ và nấu chảy soi cay go xylan

a Tinh chat vat ly

Khối lượng phân tử :

Độ hoàn tan ở 20°C : 169g/100g nước, khó tan trong etanol, metanol

Nhiệt hòa tan : -34.8cal/g

hemixenluloze thuộc nhóm phoysaccarit phi xenluloza

hemixenluloze là hỗn hợp của một số loại pholysaccarit khi thủy phân chủ yếu tạo

ra một số đồng phân lập thể thuộc heoza

hemixenluloze gồm các pholysaccarit mà mạch phân tử có thể là homopolyme hoặc opolyme

Các đơn vị mắt xích của các phoysaccarit hemixenluloza thường là vòng anhydro của các saccarit như D-xyloza, L-arabubiza

Lingin

lingin là hợp chất cao phân tử có hoạt tính thơm bộ khung của đơn vị mắt xích lignin

la phenyl propan

các nhóm chức có ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của lignin là nhóm hydroxyl

phenol, nhóm hydroxyl rượu benzolie va nhóm cacbonyl

Bảng 1: Bảng số lượng các nhóm chức của lingnin (tinh theo don 100 đơn vị phenylpropan)

Bảng 2: Thành phần gỗ brich thuỷ phân

Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Maltose; Galactose;

Nguồn Nito: Muối amoni

Nhiệt độ tối thích: 30°C

pH: 4.1 - 5.3

Nhu cau oxi: Vi sinh vật ky khí tuỳ tiện

Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính

Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Sucrose

Nguồn Nito: Muối amoni

Nhiệt độ tối thích: 30°C

pH: 3.5 -7

Nhu cầu oxi: Vi sinh vật ky khí tuỳ tiện

Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính

Mục đích : tác động cơ học giảm khích thước nguyên liệu

(kích thước tối đa là đải 1.5em), chuẩn bị cho quá trình

Mục đích: chuẩn bị cho quá trình thủy phân

Phương pháp thực hiện: Dung dịch axid clohidric (hoac axid sulfuric) va ba mia được phối trộn theo tỉ lệ HCl: bã mía khô là 10:1 Hỗn hợp được trộn kỹ trong thing quay và được chuyên qua thiết bị trao đổi nhiệt

5 Gia nhiệt:

Mục đích: Chuẩn bi cho quá trình thủy phân.Quá trình này là quá trình tiền thủy phân

thành phần hemixellulose trong bã mía

Phương pháp thực hiện: Dịch axid và bã mía được gia nhiệt lên 100-125oC trong

Thực hiện : Bán thành phẩm từ thiết bị trao đổi nhiệt ( hỗn hợp bã mía và dịch axid)

được thủy phân liên tục trên băng tải, ở đây, hỗn hợp được tưới bằng nước nóng

100°C

11

ELECTRICAL RESISTAKCE

-” THERMOPAR, THERMIC OIL _

Hình 8: Thiết bị thuỷ phân bã mía

7 Lọc:

Mục đích: thu dịch lọc chứa xylose

Phương pháp thực hiện: hỗn hợp được lọc lấy phần lỏng Dịch lỏng được thu vào những bình đáy hình nón được đặt ngay dưới băng tải quá trình này trích ly hoàn toàn thành phần xylose của bã mía Sản phẩm thủy phân được thu vào bình đáy hình nón chứa khoảng 17-20 % xylose

12

-mục đích: để loại bỏ những phần chưa được thủy phân

-Thiết bị: thiết bị lọc dùng vải lọc

b Xứ lý dịch lọc với than hoạt tính

13

Hình 10: Cấu trúc lỗ hỏng của than hoạt tính và than hoạt tính dạng bột mịn

Mục đích: Để hạn chế nồng độ các chất ức chế quá trình lên men sinh ra trong quá trình thủy phân như axiđ acetic, furfural, hydroxyl metyl furfural, hợp chất phenolic

Phương pháp thực hiện: Hỗn hợp sau thủy phân sẽ được xử lý bằng than hoạt tính ở 30oC trong 60 phút, và thường được tiến hành 3 lần, quá trinh này được thực hiện ngay sau quá trình lọc

Thiết bị:

{efnadtedt carhon /iter

Hình 11: Thiết bị lọc than hoạt tính

c Cô đặc chân không

Mục đích: tăng hàm lượng xylose như mong muốn, đáp ứng cho quá trình lên men

Phương pháp: nhiệt độ cô đặc 70°C pH được điều chỉnh ở 5.4 sử dung NAOH 0.1N

Thiết bi: thiét bi cô đặc chân không:

14

Dung địch hoặc hỗn hợp (quá, miếng và địch) cho vảo thiết bị qua cửa nạp nguyên

liệu Sau đó đóng chặt cửa lại Mở van hơi cấp nhiệt cho thiết bị Dưới tác dụng của hơi

nước bão hoà, hỗn hợp dịch trong thiết bị được nâng dần nhiệt độ Khi nhiệt độ dịch đạt 70-75°C, bơm chân không hoạt động, hút hơi ẩm ra ngoài, tạo độ chân không cho thiết

bị Khi áp suất chân không làm việc dat p= 500 + -600 mmHg, điều chỉnh van hơi sao cho thông số của thiết bị én định, lúc này dịch trong thiết bị sôi, chất lỏng được hoá hơi

và hơi được hút ra ngoài bằng bơm chân không Nồng độ chất hoà tan trong dịch tăng đần lên, quá trình thâm thấu chất hoà tan điễn ra làm nồng độ chất khô trong dich cðng tăng

dần Quá trình điễn ra liên tục cho đến khi nồng độ chất khô của sản phẩm đạt yêu cầu

Sản phâm được tháo ra ngoài qua cửa tháo sản phâm

H Quy trình lên men sản xuất xylitol

Mục đích : tạo giống cho sản xuất từ giếng gốc

Thực hiện : Phục hồi giống nuôi trong môi trường thạch nghiêng (40g/1 malt ,15g/1 agar) ủ ở nhiệt độ 25°C cho đến khi tạo bào tử

Chuẩn bị môi trường lên men và cấy giống theo các cấp cho đến khi đủ canh trường

để lên men cho sản xuất

Sơ đồ nhân giống :

ˆ _ Thể tích lên men: 150mẺ

- Tỉ lệ bỗ sung canh trường giống : 5-10% thể tích môi trường

- _ Ống giống gốc được cho vào erlen 50ml ( chứa 15ml môi trường )

-_ Erlen 500ml chứa 150ml môi trường

- _ Thùng 5] chứa 2l môi trường

-_ Thùng 50l chứa 15] môi trường

-_ Bồn 5hl chứa 1501 môi trường

-_ Bồn 5m3 chứa l.5m3 môi trường

16

- Bồn 20m” chứa 15mẺ môi trường ( giống cho sản xuất )

2 Lên men :

Mục đích : Quá trình trao đổi chất của vsv sẽ tăng sinh khối và sản phẩm (Xylitol)

Thực hiên : môi trường sẽ được bơm vào thiết bị lên men ,tiếp theo giống được cho vảo Oxy được bơm liên tục trong quá trình lên men

- _ Tốc độ oxy : hòa tan ở trong môi trường 0.1-5% của kk bão hòa

Van dé tiến hành bỗ sung môi trường

-Bắt đầu bố sung môi trường khi hàm lượng xylose còn khoảng 3-6 %

- Môi trường bỗ sung : 1lit chứa 700g xylose và 100g glucozo ,ngoài ra còn các chất dinh dưỡng

- Tốc độ bổ sung :6.04g/1h

Cơ chế lên men :

`

anys glucose ¬-.—

` Xylitol sedoheptulose r DU n Ỷ a

Ham lượng glucose trong môi trường nuôi cấy

- Glucose nguồn dinh dưỡng ,giúp vi sinh vật tăng sinh khối Sinh khối nhiều làm

tăng sản phẩm

- _ Sự tạo thành ethanol trong quá trình trao đổi chất gay uc chế tế bào hoặc ức chế sản xuất sản phẩm

Vậy cần có hàm lượng đường tối ưu

Hàm lượng oxy và thế oxy hóa khử :

- Ham lugng oxy thay déi thế oxy hóa khử thay đổi

- _ Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo sản phẩm (Xylitol)

- _ Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo ethanol

Hình 15: Ảnh hưởng của thế oxy lên hiệu suất Xylitol (ô vuông) và ethanol (đấu tròn)

Điểm oxy hóa khử tối ưu là :-100mv Để điều khiển thông số này ta đùng một cảm ứng thế oxy hóa, cảm biến sẽ thu nhận tín hiệu gửi về bộ phân điều khiển ,từ đó

sẽ điều chỉnh vận tốc oxy cho phủ hợp

Quy trình thu Xilytol :

a Lọc- khử khoáng

-Mục đích : tách sinh khối nắm men vả cặn nhằm thu địch trong chứa Xilytol

- Thực hiện : dịch sau lên men được bơm qua thiết bị lọc khung bản Sinh khối và cặn được giữ lại trên mảng, ta thu được dịch trong

Dịch trong thu được sẽ qua quá trình khử khoáng

Phương pháp : trao đối ion

Hydrooen-cycle Hydrogen-cycle cation exchange anion exchange

IDN-EXCHANBE SYSTEM

Hinh 17: So dé hé théng trao đổi ion

19

b Cô đặc chân không

-Mục đích : bốc hơi nước giảm hàm ẩm , tăng nồng độ đường Ngoài ra còn làm mất một số chất bay hoi

-Thực hiên : dịch trong thu được bơm vào thiết bị cô đặc „ điều kiện làm việc áp suất thấp , nhiệt độ thấp ( 50oc) nhằm tránh các phản ứng làm biến đổi đường ở nhiệt độ cao

-Thiết bị : thiết bị cô đặc chân không

Cồn nóng được đùng làm dung môi trích ly Xylitol sẽ hòa tan trong cồn nóng

Sau đó hạ nhiệt độ tới -15oC, các tỉnh thé Xylitol bắt đầu két tinh ,lọc thu kết tủa (thu

sản phâm )

Lấy tỉnh thể hòa tan vào cồn nóng trở lại , sau đó tái kết tinh để thu được sản phẩm bao dam tinh khiét

20

e Sơ đồ thiết bị lên men :

HỆ Ất a khi

fÔ Giải thích sơ đồ :

Thiết bị lên men bao gồm :

- Thùng lên men : Môi trường được bơm vào thùng lên men tử thùng chứa môi trường

- Trên nắp thùng có gắn cánh khuấy và động cơ khuấy

- Thùng giống : chứa canh trường nắm men

- Thing môi trường : chứa môi trương lên men ,

- Bộ chỉnh Ph : gầm 2 bình axit ,bazo.Bộ cảm biến Ph sẽ cho biết sự biến đổi của ph

trong tiến trình lên men, và gửi tín hiệu lên bộ điều khiển để chỉnh ph cho thich hợp

- Bộ điều chỉnh nhiệt độ : 1binh nóng ,1 bình lạnh ,phương pháp điều khiển giống bộ điều chỉnh ph

-Hệ thống cưng cấp oxy : gồm thiết bị lọc không khí (đảm không khí luôn sạch ,nếu

không môi trường lên men sẽ bị nhiễm),hệ thống bơm khí vào thùng từ dưới lên

- Dịch sau lên men sẽ được bơm ra thiết bị chiết tách

ø Đánh giá quá trình lên men : Dung HPLC voi cot 1a Sugar pak I

21

Xylitol đã được áp đụng Các thực phẩm dựa trên sản phẩm mật ong có hương vị làm cho sản phẩm có độ tỉnh khuyết cao hơn nâng cao chất lượng nếu co cho thêm môt ít calorie va chira it calorie polysaccharides nhu polydextrose và một polyol (sorbitol, maltitol, Xylitol )

Viéc str dung Xylitol trong keo cao su (chewing gum) cho các cvấn đề vệ sinh răng

miéng va điều trị các bệnh răng miêng kẹo cao su được sản xuất bằng cách pha trộn chất diet khuâu, bột đường, kẹo cao su và một cơ sở sẵn nước nóng Nó cũng có thể chứa các thành phần khác chẳng hạn như chất làm mễn và mùi thơm Các chất diệt khuẩn được lựa chọn từ chất sát trùng và Một loại mu6i cia axit citric , mudi fluoride va Ribavirin

mô tả các phương pháp sản xuất sô-cô-la chứa đường thay thế thì khi sư dụng ta Cảm thấy miệng có vị của đường uống rượu gây ảnh hưởng Xylitol) như đường thay thế đã được cải thiện của bằng cách sử dụng diglycerides Xylifresh' là một giải pháp mới đưa ra sản xuất kẹo cao su của Leaf Inc, Chicago

V, Thành tựu công nghệ:

1 Sản xuất xylitol bằng phương pháp lên men từ rơm :

Mỗi năm, một số lượng lớn sinh khối phế thải được tích lũy trong tự nhiên, căn nguyên các vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đốt 1 tấn chất thải này sẽ cho ra 1.7 tắm CO, NO, methyl clorua và các khí độc khác Chất thải xuất ra tăng đần đến một điểm nơi mà các phương cách khôi phục tự nhiên được đưa ra thích đáng Vì thế cần tìm

ra những công nghệ mới để tiết kiệm sử đụng các sản phẩm có thể phục hồi này cốt để giảm giá việc xử lý ô nhiễm Trong những năm gần đây, sự chú ý được tập trung vào các quá trình công nghệ sinh học cho việc sản xuất vài nguồn thức ăn hữu ích và các sản phẩm thực phẩm từ bã của rừng nông nghiệp và bã nông nghiệp như rơm, cây bạch đàn,

và bã mía đường rơm là bã nông nghiệp chứa xylose, được cho là lên đến 90% tổng lượng đường hiện tại trong cdc phan hemicellulose của bã này và có thể chuyên đổi thành các sản phẩm khác Một trong những sản phẩm này, xylitol, được sử dựng rộng trong thực phẩm và công nghiệp được phẩm Sản phẩm xylitol bằng sự lên men có thể là một

sự hấp dẫn khác cho quá trình truyền thống theo kiểu việc làm tổng hợp hóa học Người

ta sử dụng giỗng nắm men Candida tropicalis làm tác nhân chuyển hóa xylose từ rơm thanh xylitol

Rơm chứa 1 lượng lớn hemixenlulose(29.4%), trong đó hàm lượng đường tổng chứa đến 10.3%, 69% trong các loại đường này là xylose

Thí nghiệm đầu tiên là thủy phân rơm bằng nước nóng Rơm khô xay nhuyễn được thủy phân chỉ bằng nước nóng 100oC, sau đó tiến hành quá trình lên men trong môi trường không bổ xung nguồn cacbon( xylose là nguồn cacbon duy nhất) và được nuôi đưới điều kiện tối thích cho mỗi chủng kết quả cho thấy sự phát triển của cả 2 chủng tương đối thấp và lượng xylitol bắt dầu được tích lũy sau 3 ngay 6 ching Candida, và sau 4 ngày ở chung Candida Tropicalis thi nho

Sau 4 ngày nuôi, hàm lượng xylose ban đầu là 7gam/lit được tiêu thụ hoàn toàn,

va xylitol được sản xuất bởi 2 chủng đạt 0.8gam/lit và 0.45gam/lit trong trường hợp Candida guilliermondii va Candida Tropicalis tương ứng

Trong khi đó năng suất của XR thì rất thấp, chỉ đạt 0.04u/gh ở chủng Candida guilliermondii va 0.01u/gh 6 ching Candida Tropicalis một trong những nguyên nhân chính liên quan đến sự tiêu thụ môi trường được sản xuất từ vật liệu hemixenlulose là khả năng lên men kém, đặc biệt ở nồng độ cao Điều này giải thích tỷ lệ sản phẩm xylitol thấp

ở nồng độ cao của xylose từ sản phẩm thủy phân hemixenlulose

23