Tiểu luận lên men glycerol

PHẦN 1: TỔNG QUÁT VỀ GLYCEROL Glycerol ( 1,2,3 – propane trial) là rượu gồm có hai nhóm rượu sơ cấp và một nhóm rượu thứ cấp. Được phát hiện vào năm 1779 bởi Scheele khi đang xà phòng hóa dầu olive. Hình 1: Công thức phân tử của glycerol Hình 2: Cấu trúc không gian của glycerol Tổng hợp trực tiếp từ CO2 và H2 nhưng không có giá trị thực tiễn. Thu nhận từ quá trình thủy phân chất béo trong công nghiệp xà phòng, nhưng sản lư ợng rất thấp nên thường được tổng hợp từ các chủng vi sinh vật. Đối với tất cả các quá trình sử d ụng bisulfite thì các chủng S. cerevisiae được sử dụng đ ể tạo glycerol. N goài ra, còn một số chủng khác để tổ ng hợp glycerol như : Bacillus subtilites, Candida, Torula, Lactobacillus, Aspergillus nige. Dunaliella tertiolecta.

- Được phát hiện vào năm 1779 bởi Scheele khi đang xà phòng hóa dầu olive.

Hình 1: Công thức phân tử của glycerol Hình 2: Cấu trúc không gian của

glycerol

- Tổng hợp trực tiếp từ CO2 và H2 nhưng không có giá trị thực tiễn

- Thu nhận từ quá trình thủy phân chất béo trong công nghiệp xà phòng, nhưng sản lư ợng rất thấp nên thường được tổng hợp từ các chủng vi sinh vật

- Đối với tất cả các quá trình sử d ụng bisulfite thì các chủng S cerevisiae được sử

dụng đ ể tạo glycerol N goài ra, còn một số chủng khác để tổ ng hợp glycerol như :

Bacillus subtilites, Candida, Torula, Lactobacillus, Aspergillus nige Dunaliella tertiolecta.

Hình 5 : Torula Hình 6 : Lactobacillus

Hình 7: Aspergillus nige Hình 8: Dunaliella tertiolecta

 Cơ chế sự tạo thành glycerol:

- Nếu trong điều kiện bình thư ờng, theo chu trình Embden – Meyerhof –

Parnas, Acetandehyt sẽ bị khử thành ethanol theo phương trình sau:

CH3-CHO + DPNH + H+ CH3-CH2OH + DPN+

- Khi có mặt của sunfit hoặc hyrazit, thiosemicabazit, acetandehyte s ẽ khô ngthể đóng vai trò nhận hydro Trong trường hợp này, hydroxyaceton photphateđược hìnhthành trong giai đọan trên sẽ tiếp nhận hydro và tạo thành glycerol photphate Glycerolphotphate sẽ tiếp tục các phẻn ứ ng và tạo thành glycerol

 Một số ứ ng dụng:

- Mỹ phẩm:

· Cung cấp các sản phẩ m chăm sóc sức khỏe như thuốc làm mềm da, giữ

ẩm và bôi trơn

· Glycerol có mùi dễ chịu và khả năng hòa tân tốt hơn sorbitol

· Làm kem đánh răng, nước súc miệng, sản phẩm chăm sóc da, kem dưỡng

da, sản phẩm chăm sóc tóc và xà phòng

- Thức ăn và nước giải khát:

· Cung cấp chất tạo độ ẩm, chất hòa tan và chất tạo độ ngọt,có thể giúpbảo quản thực phẩm

· Hòa tan các chất tạo hương (như vani) và phẩm màu

· Tạo độ ẩm và độ mềm cho kẹo, bánh và trong nhiều trường hợp người tacòn sử dụng cho thịt và phô mai

· Sản xuất ra các sảm phẩm tạo nhũ tương đơn và đa glyceride

· Dùng sản xuất polyglycerol ester và dùng trong sản xuất bánh và bơ thực vật

· Dùng làm chất bổ sung vào các sản phẩm có ít độ béo nhằm mục đích tạo

độ béo cho phù hợp

· Glycerol có độ ngọt bằng 60% độ ngọt của đường sucrose

· Glycerol không làm tăng đường huyết, và cũng không tạo điều kiện chocác vi khuẩn trong răng miệng phát triển gây sâu răng

· Glycerol khi sử dụng không cần phải pha loãng, và sẽ không gây hiệntượng rút nư ớc mô, vì vậy mà không tạo ra hiện tượng phồng nước trongmiệng và đau dạ dày

- Làm thuốc:

· Được dùng trong điều chế thuốc và dược phẩm,công dụng chủ yếu là đểtăng sự mềm mại, sự bôi trơn hay được sử dụng như một chất tạo độẩm.Và cũng có tác dụng làm giảm sự căng thẳng trí não

· Bào chế thuốc giúp nhuận tràng, sirô trị bệnh ho, rượu thuốc hay thuốclong đườm

· Được sử dụng thay thế rượu, và được sử dụng như một chất làm tăngkhả năng hòa tan dịch chết thảo mộc dùng chữa bệnh

- Vỏ trấu :

· Lớp bao ngoài cùng của hạt

· Gồm các tế bào rỗng có thành cellulose

· Các tế bào vỏ trấu kết với nhau nhờ khoáng và lignin Vỏ trấu có gân nổi

rõ, xù xì và ráp nên dễ bám vi sinh vật Màu sắc vỏ trấu khá đa dạng: màunâu, vàng

· Độ dày vỏ trấu phụ thuộc vào giống hạt, độ mẩy: trong khoảng 0,12 – 0,15

mm, chiếm khoảng 18 – 19,6% so với toàn hạt

- Vỏ hạt:

· Liên kết chặt với lớp aleurone, nhưng liên kết lỏng lẻo với lớp vỏ quả

· Lớp vỏ hạt chứa ít cellulose hơn như ng nhiều protid và glucid hơn vỏ quả

- Vỏ quả:

· Thành phần gồm cellulose, pentosan, pectin, khoáng

· Chiều dày trong tế bào không giống nhau, ở gần phôi lớp vỏ quả mỏng nhất

- Lớp aleurone:

· Bao bọc nội nhũ và phôi

· Chiếm khoảng 6 – 12% khối lượng hạt

· Chứa nhiều protid (chủ yếu là e nzym), tinh bột, cellulose, pentosan, lipid, phần lớn vitamin và khoáng của hạt

· Khi xay xát hạt, lớp aleurone bị vụn thành cám Do có chứa nhiều lipid không no nên cám dễ bị oxi hóa gây mùi hôi

· Chứa nhiều chất dinh dưỡng cần cho sự phát triển

· Gồm: protid, glucid hòa tan, nhiều lipid, khoáng, cellulose, vitamin P hôi

dễ bị hư hỏng, các chất dinh dưỡng trong phôi rất dễ bị biến đổi

3) Thành phần hóa học:

cenlulose, vitamin và tro…

- Đặc điểm hạt tinh bột: kích thước hạt tinh bột nhỏ nhất trong hệ thống hạt tinh bột

Bảng 1: Hạt tinh bột của một số loại gạo:

Thành

phần

Loại gạo

Tinh bột, %theo chấtkhô

Hàm lượngAmiloza %theotinh bột

Nhiệt độ hồhóa, C

Kích thướchạt tinhbột (đườngkính : d)

Hình dạng

Bảng 2: Thành phần hóa học của 100g gạo

Các chỉ số

Loại gạoTám thơm Chiêm canh Mộc tuyền

- Chỉ tiêu hóa lí:

Bảng 3: Các chỉ tiêu hóa lý đánh giá chất lượng gạo:

3 Hạt bạc trắng (% khối lư ợng, không lớn hơn) 7 12 20 40

4 Hạt biến vàng (% khối lư ợng, không lớn hơn) 0.5 1 2 4

5 Hạt không hoàn thiện (% khối lượng, không lớn hơn) 3 4 6 8

6 Hạt bị hư hỏng (% khối lượng, không lớn hơn) 0,5 1 3 5

10 Sâu mọt sống hại thóc (% khối lượng, không lớn hơn) 5 5 5 5

Diclo vot (Dichlovos) MalathionWolfatoo MethylparathionDimethoat ( B, 5B, Rogor)

0,50,10,32,00,71,0

II Vi sinh vật:

Giống vi sinh vật sử dụng trong sản xuất Glycerol là Saccharomyces cerevisiae.

Hình 12: Sacharomyces cerevisiae.

 Khái quát chung:

- Là loại vi sinh vật đơn bào

- Thuộc bộ Endomycetales.

- Họ Saccharomycetaceae

- Giống Saccharomyces.

- Có thể sống trong điều kiện hiếu khí hay kị khí.

- Hình dạng: tế bào hình bầu dục nếu ở môi trường giàu chất dinh dưỡng Trongđiều kiện kị khí, tế bào có hình tròn; ngược lại, trong điều kiện hiếu khí tế bào kéo dài hơn

- Kích thước thay đổi trong khoảng 2,5 - 10 µm × 4,5 -21µm

 Một số tính chất sinh lí của nấm men:

- Nhiệt độ tối ư u: 28 - 32oC

- pH tối ư u: 4.5 – 5.5

- Saccharomyces cerevisiae có thể lên men nhiều loại đường (glucose, fructose,

saccharose, maltose, rafinose, các dextrin …) và nhiều loại nguyên liệu khác nhau ( nhưgạo, ngô, khoai, sắn… với lượng đư ờng trong dung dịch là 12 – 14%, có khi là 16 – 18%)nhưng :

· Không thể lên men lactose, xenlobiose…

· Không đồng hóa D - glucozamin, D- ribose, D-xilose, L- arabinose, D- arabinose, L- ramnose, xenlobiose

- Chịu đư ợc thuốc sát trùng Na2SiF6 nồng độ 0,02 – 0,025% nên có thể lên men trong điều kiện bắt buộc phải dùng thuốc sát trùng.

 Hệ enzym trong tế bào của nấm men:

Hệ enzym của nấm men là hệ enzym nội bào, phức hệ enzym cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp sinh khối nó thuộc các nhóm enzym sau:

· Nhó m enzym kinaza : Glucokinaza, kinaza, pyruvatekinaza,

phosphofructosekinaza, … nhóm enzym này chủ yếu là vận chuyển các gốc tới cho quá trình phản ứ ng

· Nhóm enzym izomeraza : aldolaza, glucozaphosphatizomeraza, …

nhóm enzym này chủ yếu là thay đổi đồng phân của cơ chất

· Nhóm enzym mutaza : phospholyxeratmutaza,…chủ yếu làm chức năng hoán

vị các nhóm chức trong phân tử của cơ

· Điều kiện nuôi cấy: đơn giản, môi trường dễ tìm, giá thành không quá cao

· Khả năng thích nghi của giống cao, tốc độ sinh trưởng mạnh

ra, nước còn dùng cho nhu cầu sinh họat, chữa cháy trong khu vực sản xuất

- Lượng nước sử dụng trong quy trình sản xuấ t glycerol nhiều hơn so với những quy trìnhsản xuất khác, khỏang 50% lư ợng nước được sử dụng hòan tòan, hoặc nước thải củacông đọan này có thể sử dụng cho mục đích khác

- Các muối cacbonate và sunfate của canxi và kali có trong nư ớc tạo thành độ cứngcho nước.N gười ta phân lọai độ cứ ng của nước như sau: độ cứ ng tạm thời ( muối CO 32-),

độ cứng

vĩnh cử u ( không phải CO32-) , độ cứng tòan phần (gồm độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cữu)

- Ngòai các thành phần hóa học kể trên, còn có các lọai vi khuẩn thư ờng xuyên sống trong

thiên nhiên như : pseudiminas, chromobacter, achromobacter, sarcinae.

- Trong công nghệ, yêu cầu chất lư ợng nước giống như sinh họat: phải trong suốt, không màu, không mùi Hàm lư ợng muối không được vượt quá các yêu cầu như sau: (mg/l)

 Nhìn chung, yêu cầu về chất lư ợng nước như sau:

- Chỉ tiêu cảm

quan:

· Màu sắc : trong suốt

· Mùi vị : không có mùi vị lạ

- Chi tiêu hóa

học:

· Độ cứng từ mềm đến trung bình : 4 – 50D

· Hàm lư ợng muối cacbonate (CO32-) : không quá 50mg/l

· Hàm lư ợng muối C lorua ( C l-) : 75 – 100mg/l

· Hàm lư ợng muối Magie ( Mg2-) : không quá 100mg/l

· Kim loại nặng (As, Ag, P g, Hg …) : không có

· Độ cứng vĩnh cử u : 0.7mĐ/l

- Riêng nước trong nồi hơi phải là nước mềm, có độ cứng toàn phần bằng 0 để chống sự đóng cặn và giảm hệ số trao đổi nhiệt Xử lý nước có thể bằng hệ thống trao đổi ion, lắng lọ

c

IV Các nguyên liệu k hác:

- Hợp chất chứa nitơ : (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4, CO(NH2)2

- Hợp chất chứa phosphore : dd H3PO4 70% hoặc muối phosphate

- Hợp chất vi lư ợng : dịch chiết mầm ngũ cốc, chất chiết men

PHẦN 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Nghiền

Chuẩn b ị mô i trường

PHẦN 4: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

- Nguyên tắc chọn giống : Đã trình bày ở phần trên

- Một số trung tâm giống vi sinh vật ( nấm men) :

· National Collection of Yeast Culture (Norwich) của

- Saccharomyces cerevisiae đư ợc giữ trên môi trường OF gồm (g/l):

- Con giống sẽ được cho vào 20ml môi trường trên (đã được tiệt trùng ở 121 0C,

20 phút) trong một erlen 250ml, sau đó đem cho vào thiết bị lắc với vận tốc 180 rpm ở

30 0C trong 24 giờ Đem cả canh trường đi ủ trong 48 giờ ở 300C, sau đó đem bảo quản ở

40C

3.Nhân giống:

- Nhân giống là quá trình tăng dung tích, dịch chứa sinh khối qua nhiều cấp Mỗicấp nhân giống thường tăng dung khối từ 10-15 lần Cứ làm như vậy cho đến khi toàn bộdung tích đủ để tiến hành quá trình lên men

- Khi nhân giống giai đoạn phòng thí nghiệm, ngư ời ta sử dụng các dụng cụ thủytinh như ống nghiệm, erlen với các dung tích 750 ml, 1l, 2l kết hợp với tủ ấm, tủ lắc điềunhiệt Do

thể tích môi trường nhỏ nên việc sử dụng máy lắc có thể đảm bảo được sự đồng nhấttrong canh trường nuôi và cung cấp đầy đủ oxy cho sự sinh trưởng, phát triển của nhóm visinh vật hiếu khí.

- Khi nhân giống ở giai đoạn phân xưởng, người ta sử dụng nhữ ng thiết bị vớidung tích khác nhau: 100l, 500l, 1m3, 3 m3, 5 m3, 10 m3… hoặc lớn hơn tùy theo dung tíchcủa thiết bị lên men đang sử dụng tại nhà máy

cần thiết cho q uá trình lên

men

Hinh 13: Thiết bị nhân giống

1 Hệ thố ng điều nhiệt (nhân giống trong erlen)

2 Bình nhân giống trung gian

3 Thiết b ị nhân giống

4 Hệ thống lọc tách b ụi và vi sinh vật

5 Valve

6 Bộ phận lọc hơi

7 Bộ phận đo pH

· Làm cho hạt sạch hơn, sáng hơn

· Tăng giá trị cảm quan

· Sàng : loai bỏ các tạp chất nặng như đá , sỏi bị lẫn vào

I

Tạp chất nhẹ

II Tạp chất lớn

Tạp chất bé Hạt

chính

Hinh 14: Thiết bị làm sạch

III Nghiền:

1 Mục đích:

Khai thác: Q uá trình nghiền nhằm mục đích phá vỡ màng tế bào, đồng thời giảiphóng tinh bột ra khỏi tế bào Đây là khâu quan trọng nhất trong việc quyết định hiệusuất thu hồi tinh bột Sự phá vỡ màng tế bào càng triệt để thì hiêụ suất tách tinh bột càngcao

2 Các biến đổi:

- Vật lý:

· Có sự thay đổi kích thước của nguyên liệu

· Tế bào tinh bột bị phá vỡ, giải phóng tinh bột dưới dạng những hạt có kích thước nhỏ

Hình 15 : Thiết bị nghiền búa

6 Hai tấm sàng ghi xoay được

7 Hai tấm sàng ghi kéo ra đư ợc

 N gu yê n t ắc hoạt độ

ng :

Vật liệu được nạp vào máy nghiền từ phía trên của máy, nhờ trọng lượng bản thân rơihoặc trượt theo máng và vùng ra đập của búa đang quay với tốc độ cao Sau va đập, vậtliệu bị vỡ thành nhiều mảnh và bay với góc phản chiếu khoảng 90˚, tạo thành một vùng đậpnghiền K hi bay, các mảnh vỡ đập vào các tấm lót (được gắn vào các tấm phản hồi) trênthành vở máy, bật ngược trở lại đầu búa để nghiền tiếp, cứ như vậy cho đến khi đủ nhỏlọt qua mắt sàng ra ngoài

 C ác yế u t ố ảnh hư ở ng đ ế n h i ệ u s uất

ngh

i ề n:

· Động nă ng của búa càng lớn thì hiệu quả nghiền càng cao

· Số vòng quay càng nhiều thì hiệu suất nghiền càng cao

· Chất lư ợng của búa nghiền

IV Thuỷ phân:

Gồm 3 quá trình: hồ hóa, d ịch hóa, đường hóa

1 Hồ hóa:

a Mục đích:

- Nhằm tăng độ phân tán của dịch huyền

phù

- Phá vỡ cấu trúc màng tế bào của tinh bột, chuyển tinh bột từ trạng thái không hòa tan

về trạng thái hòa tan, tạo điều kiện cho qua trình phân cắt các mạch tinh bột của hệ enzym

- Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dịch hóa tiếp

theo

b Các biến đổi:

- Vật lý:

· Dưới tác dụng nhiệt, độ nhớt của dung dịch tăng và đạt giá trị cực đại

· Hạt tinh bột trương nở cực đại

· Nồng độ chất khô tăng

- Hóa lý:

· Khả năng hòa tan tăng

· Dung dịch trở nên đồng nhất

· Ở nhiệt độ cao, khả năng hút nư ớc của hạt tinh bột càng mạnh

- Sinh học: không có nhữ ng biến đổi quan

- Gia nhiệt cho hỗn hợp lên đến 140 – 160oC, thời gian gia nhiệt 30 – 45 phút, thời gian dừ

ng là 40 – 60 phút, sử dụng nhiệt độ và áp suất cao sẽ phá vỡ cấu trúc hạt tinh bột nhưnhữ ng liên kết giữa các phân tử amylose và amylopectin với nhữ ng tạp chất có trong hạt

Hình 16: Thiết bị Henze - cooker

2 Dịch hóa:

a Mục đích:

- Phá vỡ cấu trúc của các hạt tinh bột

- Làm tinh bột trương nở hoàn toàn

- Các thông số:

· Nhiệt độ : 95 - 100oC

· Thời gian : 30 – 60 phút

- Dùng thiết bị truyền nhiệt gián tiếp dạ ng hình trụ có cánh khuấy, tác nhân trao đổi nhiệt

là nước lạnh hay glycol

- Các thông số cần lư u ý:

· Nhiệt độ dung dịch đường sau khi dịch hóa : khỏang 100oC

· Nhiệt độ của tác nhân lạ nh : khỏang 40oC

· Nhiệt độ dung dịch đường sau khi làm nguội : khỏang 50 - 60oC

tháo lắp dễ dàng, hạn chế được hiện tượng đóng cặn, bụi trong quá trình xử lý nhệt

- Hoạt động: Hỗn hợp dịch đường sẽ đi ở ống phía trong cùng, còn tác nhân lạnh sẽ đi

ở ngoài, bằng phương pháp tiếp xúc gián tiếp với tác nhân lạnh và hệ thống cánh khuấy hoạt

động liên tục, hổn hợp sẽ đư ợc làm nguội

· Tăng hàm lượng chất khô

· Tăng khả năng truyền nhiệt

· Giảm độ nhớt

- Hóa lý:

· Tăng khả năng hòa tan

- Hóa sinh:

· Có sự tác dụng của -amylase và gluco-amylase lên các mạch amylose vàamylopectin tạo thành hỗn hợp sản phẩm chủ yếu là glucose và các dextrin mạch ngắn.

- Trong giai đoạn này, cứ khoảng 5 phút cần tiến hành thử khả năng đường hóa bằng cách:

lấy vài chục ml nước dịch đường hóa ra và cho vào đó 2 – 3 giọt I2 ( N/50), nếu dịch đó

bị biến màu ( xanh, tím…) thì quá trình đường hóa chưa kết thúc, ngược lại, dịch đókhông bị biến màu thì quá trình đư ờng hóa xem như kết thúc

· Thời gian : Thử bằng I2 để xác định thời điểm kết thúc quá trình

V Chuẩn bị môi trườ

ng:

- Mục đích: Bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh

vật

- Môi trường lên men:

Thành phần môi trường lên men (g/

· MgSO4.7H2O : 0.1

VI Thanh trùng môi trường:

- Dịch lên men sẽ được b ơm vào thiết b ị trao đổ i nhiệt d ạng ống lồng ống

- Cấu tạo : Đơn giản, gồm hai ống lồng vào nhau, d ịch lên men sẽ đi phần ống bên trong còn tác nhân gia nhiệt sẽ đ i phần ố ng ngoài