Thiết kế nhà máy sản xuất enzim α_amylaza dạng bột theo phương pháp bề sâu với năng suất 500m3ngày

LỜI NÓI ĐẦUEnzim là chất xúc tác sinh học, có bản chất protein, hòa tan trong nước và trong dung dịch muối loãng. Enzim có phân tử lượng lớn từ 20.000 đến 1.000.000 dalton nên không qua được màng bán thấm.Enzim là những chất không thể điều chế được bằng phương pháp tổng hợp hóa học, mà người ta thường thu nhận chúng từ nguồn tế bào động vật, thực vật hoặc vi sinh vật. Trong hàng trăm enzim được sử dụng trong công nghiệp hơn một nữa được sản xuất từ nấm mốc, và nấm men, trên một phần ba từ vi khuẩn còn lại từ nguồn động vật 8%, và thực vật 4%.Enzim được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau nhưng chủ yếu là trong công nghiệp thực phẩm, trong công nghiệp thực phẩm enzim ứng dụng với nhiều mục đích và tác động ở nhiều mức độ khác nhau. Người ta có thể sử dụng tác động của enzim để điều chỉnh những khiếm khuyết tự nhiên của nguyên liệu. Enzim có thể tham gia cải thiện hoặc tiêu chuẩn hóa các quá trình chuyển hóa, từ đó cho phép nhận được các sản phẩm có chất lượng cao hơn, đặc biệt enzim cũng có thể can thiệp vào chính quá trình chế biến và đóng vai trò công cụ công nghệ. Nhờ tác động của enzim chúng ta có thể nhận được các sản phẩm trung gian hay cuối cùng khác nhau.Ngoài ra enzim còn đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp khác như công nghiệp dệt, nhuộm, sản xuất giấy và bột giấy, trong công nghiệp thuộc da, bột giặt và các chất tẩy rửa, đặc biệt trong công nghiệp dược phẩm và y tế… Qua đó cho thấy tầm quan trọng, sự ảnh hưởng sâu sắc của enzim đến các ngành công nghiệp khác vì vậy sự ra đời và phát triển ngành công nghiệp enzim là hết sức cần thiết. Cho đến nay chế phẩm enzim đã trở thành mặt hàng có tính thương mại toàn cầu. Nhưng ở Việt Nam công nghệ enzim chưa phát triển. Các nghiên cứu có đề cập đến hầu hết các loại enzim có nguồn gốc khác nhau nhưng chưa có enzim nào được sản xuất theo quy mô công nghiệp.Trên cơ sở đó tôi được bộ môn giao cho thiết kế đề tài “Thiết kế nhà máy sản xuất enzim α_amylaza dạng bột theo phương pháp bề sâu với năng suất 500m3ngày”.

LỜI NÓI ĐẦU

Enzim là chất xúc tác sinh học, có bản chất protein, hòa tan trong nước và trong dung dịch muối loãng Enzim có phân tử lượng lớn từ 20.000 đến 1.000.000 dalton nên không qua được màng bán thấm

Enzim là những chất không thể điều chế được bằng phương pháp tổng hợp hóa học, mà người ta thường thu nhận chúng từ nguồn tế bào động vật, thực vật hoặc vi sinh vật Trong hàng trăm enzim được sử dụng trong công nghiệp hơn một nữa được sản xuất từ nấm mốc, và nấm men, trên một phần ba từ vi khuẩn còn lại từ nguồn động vật 8%, và thực vật 4%

Enzim được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau nhưng chủ yếu là trong công nghiệp thực phẩm, trong công nghiệp thực phẩm enzim ứng dụng với nhiều mục đích và tác động ở nhiều mức độ khác nhau Người ta có thể sử dụng tác động của enzim để điều chỉnh những khiếm khuyết

tự nhiên của nguyên liệu Enzim có thể tham gia cải thiện hoặc tiêu chuẩn hóa các quá trình chuyển hóa, từ đó cho phép nhận được các sản phẩm có chất lượng cao hơn, đặc biệt enzim cũng có thể can thiệp vào chính quá trình chế biến và đóng vai trò công cụ công nghệ Nhờ tác động của enzim chúng ta có thể nhận được các sản phẩm trung gian hay cuối cùng khác nhau

Ngoài ra enzim còn đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp khác như công nghiệp dệt, nhuộm, sản xuất giấy và bột giấy, trong công nghiệp thuộc da, bột giặt và các chất tẩy rửa, đặc biệt trong công nghiệp dược phẩm và y tế…

Qua đó cho thấy tầm quan trọng, sự ảnh hưởng sâu sắc của enzim đến các ngành công nghiệp khác vì vậy sự ra đời và phát triển ngành công nghiệp enzim

là hết sức cần thiết Cho đến nay chế phẩm enzim đã trở thành mặt hàng có tính thương mại toàn cầu Nhưng ở Việt Nam công nghệ enzim chưa phát triển Các nghiên cứu có đề cập đến hầu hết các loại enzim có nguồn gốc khác nhau nhưng chưa có enzim nào được sản xuất theo quy mô công nghiệp

Trên cơ sở đó tôi được bộ môn giao cho thiết kế đề tài “Thiết kế nhà máy sản xuất enzim α_amylaza dạng bột theo phương pháp bề sâu với năng suất 500m 3 /ngày”.

CHƯƠNG 1 LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT

Enzyme – chất xúc tác sinh học có tính chất chọn lọc và đặc hiệu cao, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình vận chuyển trao đổi chất trong sự sống của sinh vật

Từ xưa con người đã biết sử dụng men để sản xuất ra một số sản phẩm thực phẩm, tinh chế được men từ thóc nảy nầm hoặc một số loài vi sinh vật đặc biệt

Ngày nay, enzyme giữ một vai trò quan trọng trong các nghành công nghiệp khác nhau như: rượu, bia, nước giải khát lên men,các nghành chế biến thực phẩm khác

Trong công nghiệp sản xuất rượu từ tinh bột, enzyme sản xuất từ nấm mốc

đã thay thế hoàn toàn enzyme của đại mạch nẩy mầm

Chính vì lý do đó mà tôi quyết định xây dựng một nhà máy sản xuất enzim amylase theo phương pháp nuôi cấy bề sâu với chủng nấm mốc là

Aspergilus oryzae 3-9-15, năng suất 500m3/ngày tại khu công nghiệp Hoà Cầm

đã làm cho Đà Nẵng trở thành cảng biển lớn nhất khu vực miền Trung

Khí hậu Đà Nẵng chia ra làm hai mùa, mùa nắng từ tháng 1 đến tháng 8, mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12, nhiệt độ trung bình khoảng 280C, độ ẩm tương đối trung bình 28%, hướng gió chủ yếu là Đông Nam Với điều kiện tự nhiên, khí hậu như vậy việc xây dựng nhà máy sản xuất enzim amylase nói là hoàn toàn

có cơ sở (không ảnh hưởng đến cuộc sống dân cư tại đây) Hơn thế nữa điều kiện đất đai, khí hậu của Quảng Nam, Đà Nẵng thuận lợi cho việc trồng các loại cây giàu tinh bột như: lúa, ngô, khoai, sắn…

1.2 Nguồn nguyên liệu:

Tuy ngành nông nghiệp của Đà Nẵng không được xếp vào loại phát triển trong vùng nhưng nó rất gần với Quảng Nam, Bình Định các tỉnh có ngành nông nghiệp vượt trội so với Đà Nẵng kể cả về diện tích lẫn chất lượng cây nông nghiệp Ngô ở Quảng Nam rất nổi tiếng, đặc biệt là ngô Hội An

Ngoài ra, Huế cũng rất dồi dào về các loại sản phẩm nông nghiệp Đặc biệt với việc thông hầm Đèo Hải Vân thì việc giao thông đi lại giữa hai thành phố và các tỉnh thành phía Bắc không còn gặp trở gại lớn như trước nữa

1.3 Hợp tác hoá:

Nhà máy đặt trong khu công nghiệp nên việc hợp tác hóa, liên hợp hóa

được tiến hành chặt chẽ, do đó việc sử dụng những công trình điện, nước, giao

thông, cũng như việc nhập nguyên liệu và tiêu thụ sản phẩm… được tiến hành thuận lợi cho nên giảm bớt được vốn đầu tư xây dựng, rút ngắn thời gian hoàn vốn, đồng thời tận dụng tuần hoàn các sản phẩm phụ tránh được ô nhiễm môi trường

1.4 Nguồn cung cấp điện:

Nguồn cung cấp điện cho nhà máy lấy từ mạng điện lưới quốc gia, nhờ trạm biến áp 110KV có dòng điện tiêu thụ với điện áp 220/380V Để đề phòng mất điện nhà máy có lắp đặt thêm máy phát điện dự phòng

1.5 Nguồn cung cấp nhiệt :

Hơi nước được dùng để tiệt trùng thiết bị, thanh trùng môi trường,… sẽ do nhà máy tự cung cấp Do đó, cần có lò hơi riêng, áp suất của hơi dùng là 3at, nhiên liệu dùng để đốt lò là dầu nặng (dầu FO)

Tác nhân làm lạnh là NH3, dầu bôi trơn…được nhập từ bên ngoài

1.6 Nguồn nước và vấn đề nước thải nhà máy:

Nước là nhu cầu không thể thiếu được, nguồn nước cung cấp cho nhà máy được lấy từ công ty cấp nước Đà Nẵng Để chủ động nguồn nước nhà máy có thể

tự xây dựng thêm các bể chứa nước

Toàn bộ nước của nhà máy có chỉ số COD cao và BOD thấp cho nên cần phải xử lý đạt được yêu cầu cho phép trước khi thải ra ra ngoài môi trường

1.7 Giao thông :

Để thuận lợi cho việc nhập nguyên vật liệu, trang thiết bị, bao bì, nhiên liệu… và xuất sản phẩm ra khỏi nhà máy thì giao thông đóng một vai trò quan trọng Những năm gần đây thành phố Đà Nẵng liên tục nâng cấp cơ sở hạ tầng, mạng lưới giao thông đô thị, cảng biển, sân bay ngày càng khang trang hiện đại cho nên rất thuận tiện

1.8 Nguồn lao động:

Là những người am hiểu về vi sinh vật cũng như về enzim chủ yếu là kỹ sư tốt nghiệp ngành công nghệ sinh học từ các trường đại học trong và ngoài nước

1.9 Năng suất nhà máy:

Nhà máy được thiết kế theo năng suất đủ cung cấp cho toàn miền trung năng suất sản xuất ra trong ngày của nhà máy là 500m3/ngày

Nói tóm lại, việc xây dựng phân xưởng sản xuất enzim amylase ở vị trí này cũng tương đối phù hợp cho sự sinh tổng hợp enzim amylase của nấm mốc

Aspergilus oryzae 3-9-15 có hoạt lực cao.

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về enzyme amylase

Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật Các enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân

tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước

Amylase thủy phân tinh bột, glycogen và dextrin thành glucose, maltose

và dextrin hạn chế Các enzyme Amylase có trong nước bọt (còn được gọi là ptyalin), trong dịch tiêu hóa của người và động vật, trong hạt nảy mầm, nấm sợi,

xạ khuẩn, nấm men và vi khuẩn Trong nước bọt của người có ptyalin nhưng ở một số loại động vật có vú thì không có như ngựa, chó, mèo Ptyalin bắt đầu thủy phân tinh bột từ miệng và quá trình này hoàn tất ở ruột non nhờ Amylase của tuyến tụy (còn được gọi là amylopsin) Amylase của malt thủy phân tinh bột lúa mạch thành disaccharide làm cơ chất cho quá trình lên men bởi nấm men

Amylase là một trong những loại enzyme được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, y tế, và nhiều lĩnh vực kinh tế khác, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm

2.2 Phân loại

Hiện nay, có sáu loại enzyme amylase được xếp vào 2 nhóm: Endoamylase (enzyme nội bào) và Exoamylase (enzyme ngoại bào)

- Endoamylase : gồm có α-amylase (EC 3.2.1.1) và nhóm enzyme khử

nhánh Nhóm enzyme khử nhánh này được chia thành hai loại: khử trực tiếp là pullulanase (hay α-dextrin 6-glucanohydrolase), khử gián tiếp là transglucosylase (hay oligo-1,6-glucosidase) và amylo-1,6-glucosidase Các enzyme này thủy phân các liên kết bên trong của chuỗi polysaccharide

- Exoamylase Đây là những enzyme thủy phân tinh bột tử đầu không khử

của chuỗi polysaccharide Nhóm này gồm có:

+ β-Amylase

+ Amyloglucosidase (glucoamylase hay γ-Amylase)

* Sự khác biệt giữa các loại Enzyme Amylase:

- Các loại enzyme amylase không chỉ khác nhau ở đặc tính mà còn khác nhau ở pH hoạt động và tính ổn định với nhiệt

- Tốc độ phản ứng của amylase phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, mức độ polyme hóa của cơ chất Các enzyme amylase có nguồn gốc khác nhau sẽ có tính chất, cơ chế tác dụng và sản phẩm cuối cùng của quá trình thủy phân khác nhau

- Amylase có nguồn gốc khác nhau sẽ có thành phần, tính chất, nhiệt độ hoạt động, pH tối ưu và các đặc điểm thủy phân khác nhau

loài vi khuẩn Bacillus macerans có phân tử lượng lên đến 130.000 Dal Đến nay

người ta đã biết rất rõ các chuỗi acid amin của 18 loại α-amylase nhưng chỉ có 2

loại α-amylase là taka-amylase từ Apergillus oryzae và α-amylase của tụy lợn

được nghiên cứu kỹ về hình thể không gian cấu trúc bậc 3 Mới đây các nghiên cứu về tính đồng nhất của chuỗi mạch acid amin và về vùng kị nước cho thấy các chuỗi mạch acid amin của tất cả các enzyme α-amylase đều có cấu trúc bậc 3 tương tự nhau

Hình 2.1 Cấu trúc không gian của α-Amylase

2.3.1.2 Cơ chế tác dụng của α-Amylase:

amylase từ các nguồn khác nhau có nhiều điềm rất giống nhau amylase có khả năng phân cắt các liên kết α-1,4-glucoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hoặc glycogen) một cách ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào cả α-amylase không chỉ thủy phân hồ tinh bột mà nó thủy phân cả hạt tinh bột nguyên nhưng với tốc độ rất chậm

α-Quá trình thủy phân tinh bột bởi α-amylase là quá trình đa giai đoạn:

+ Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): Chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp (α-dextrin), độ nhớt của

hồ tinh bột giảm nhanh (các amylose và amylopectin đều bị dịch hóa nhanh)

+ Sang giai đoạn 2 (giai đoạn đường hóa): Các dextrin phân tử thấp tạo thành bị thủy phân tiếp tục tạo ra các tetra-trimaltose không cho màu với Iodine Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-amylase cho tới disaccharide và mono saccharide Dưới tác dụng của α-amylase, amylose bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6 - 7 gốc glucose (vì vậy, người ta cho rằng α-amylase luôn phân cắt amylose thành từng đoạn 6 - 7 gốc glucopiranose 1)

+ Sau đó, các polyglucose này bị phân cắt tiếp tục tạo nên các mạch polyglucose colagen cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose, maltotriose và maltose Qua một thời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân của amylose chứa 13% glucose và 87% maltose Tác dụng của α-amylase lên amylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết α-1,6-glycoside ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu thì sản phẩm cuối cùng, ngoài các đường nói trên (72% maltose và 19% glucose) còn có dextrin phân tử thấp và isomaltose 8%

Tóm lại, dưới tác dụng của α-amylase, tinh bột có thể chuyển thành maltotetrose, maltose, glucose và dextrin phân tử thấp Tuy nhiên, thông thường α-amylase chỉ thủy phân tinh bột chủ yếu thành dextrin phân tử thấp không cho màu với Iodine và một ít maltose Khả năng dextrin hóa cao của α-amylase là tính chất đặc trưng của nó Vì vậy, người ta thường gọi loại amylase này là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa

Các giai đoạn của quá trình thủy phân tinh bột của α-amylase:

+ Giai đoạn dextrin hóa:

Tinh bột dextrin phân tử lượng thấp

+ Giai đoạn đường hóa:

Dextrin tetra và trimaltose di & monosaccharide

Amylase oligosacharide poliglucose

Maltose maltotriose maltotetrose

• Trong dung dịch đệm pH = 4,7; α - amylase của Asp Oryzae rất nhạy với tác động của nhiệt độ cao, thậm chí ở 40oC trong 3 giờ hoạt lực dextrin hóa của nó chỉ còn 22 - 29%, hoạt lực đường hóa còn 27 -85% Ở 50oC trong 2 giờ, α

- amylase của nấm sợi này bị vô hoạt hoàn toàn

α-amylase

2.3.2 Enzyme β-Amylase (β-1,4-glucan-maltohydrolase):

2.3.2.1 Cấu tạo:

β-amylase hiện diện phổ biến ở thực vật, đặc biệt là hạt nảy mầm Ở trong các hạt ngũ cốc nảy mầm, β-amylase xúc tác sự thuỷ phân các liên kết 1,4 α-glucan trong tinh bột, glucogen và polysaccharide, phân cắt từng nhóm maltose

từ đầu không khử của mạch Maltose được tạo thành do sự xúc tác của amylase có cấu hình β

β-Ở ngũ cốc, β-amylase tham gia vào sự phân giải của tinh bột trong quá trình nảy mầm của hạt Ở lúa, β-amylase được tổng hợp trong suốt quá trình của hạt và hầu như không được tổng hợp ở hạt khô Ở lúa mạch, enzyme có mặt ở trong hạt khô, nó được tích lũy trong suốt quá trình phát triển của hạt, khi ở dạng liên kết, enzyme này là một phân tử có trọng lượng phân tử là 64.000 Da và khi

bị phân cắt bởi một protease sẽ được phóng thích dưới dạng tự do và có khối lượng phân tử là 59.000 Da

2.3.2.2 Cơ chế tác dụng của β-Amylase:

β-amylase là một enzyme ngoại bào (exoenzyme) Tiến trình phân giải bắt đầu từ đầu không khử của các nhánh ngoài cùng cơ chất β-amylase phân cắt các liên kết α- 1,4glucoside nhưng khi gặp liên kết α-1,4 glucoside đứng kế cận liên kết α-1,6glucoside thì nó sẽ ngừng tác dụng Phần polysaccharide còn lại là dextrin phân tử lớn có chứa rất nhiều liên kết α-1,6 glucoside và được gọi là β-dextrin

Cơ chế tác dụng của β-amylase lên tinh bột

Tinh bột → - amylase β maltose (54-58%)+ β-dextrin(42-46%)

X-• β-amylase không bền khi có Ca2+, β-amylase bị kìm hãm bởi Cu2+,

Hg2+, urea, iodineoacetamide, iodine, ozon…

• β-amylase chịu nhiệt kém hơn α-amylase nhưng bền hơn với acid

• β-amylase bị bất hoạt ở nhiệt độ 700C Nhiệt độ tối thích của Amylase là 550C , pH 5,1 – 5,5

β-Tham gia vào cơ chế tác dụng của β-amylase thường có một nhóm caboxyl thể hiện tính chất ái nhân và một nhóm imidazol thể hiện tính chất ái electron Sự nghịch đảo hình thể của cacbon anome (C1) được thực hiện nhờ việc tạo thành hợp chất đồng hoá trị trung gian kiểu este axetal giữa cacbon anome và nhóm cacboxyl của tâm hoạt động Sau đó este này bị phân huỷ bởi tác động của

1 phân tử nước lên nhóm cacboxyl để giải phóng ra α-maltose và hoàn nguyên nhóm cacbxyl của Enzyme

cấu trúc bậc 3 và hoạt động của enzyme vẫn chưa được làm sáng tỏ Tất cả các amyloglucosidase từ nấm mốc đều là glucoprotein chứa từ 5-20% gluxit trong đó chủ yếu là các mono saccharid glucose mannose, galactose và glucosamin

Các amyloglucosidase chủ yếu được tạo nên từ hai isoEnzyme I và II khác nhau ở khả năng thuỷ phân tinh bột ở trạng thái rắn và bởi độ bền của chúng Amyloglucosidase I tự hấp thụ và thuỷ phân tinh bột ở trạng thái rắn, ngược lại amyloglucosidase II không có cả hai tinh chất này

2.3.3.2 Cơ chế hoạt động:

Amyloglucosidase có thể giải phóng ra β-D-glucose bằng cách thuỷ phân lặp lại nhiều lần các liên kết α-1,4 của mạch α-glucan từ đầu không khử, chúng cũng thuỷ phân được các liên kết α-1,6 và α-1,3 nhưng rất chậm (10 - 30 lần) Tốc độ thuỷ phân cũng phụ thuộc vào bản chất của các liên kết kề cận với các liên kết glucozit được thuỷ phân , cũng như kích thuớc và cấu trúc của cơ chất bị thuỷ phân Nhất là với các α-glucan mạch dài (amylose và amylopectin) thì bị thuỷ phân nhanh hơn là với các maltodextrin và các oligosaccharit

2.3.3.3 Tính chất:

Glucoamylase có khả năng thuỷ phân các liên kết α-1,4 lẫn α-1,6 glucoside Khi thuỷ phân liên kết α-1,4-glucan trong chuỗi polysaccharide, glucoamylase tách lần lượt từng phân tử glucose ra khỏi đầu không khử của mạch để tạo ra glucose Enzyme này có nhiều tên gọi khác nhau: α-1,4; α-1,6-glucan-4; 6-glucohydrolase; glucoamylase; amyloglucosidase; taka-Amylase B; γ-emylase… Là enzyme ngoại bào

Ngoài các liên kết α-1,4 và α-1,6 glucoside , glucoamylase còn có khả năng thuỷ phân các liên kết α-1,2 và α-1,3 glucoside

Glucoamylase có khả năng thuỷ phân hoàn toàn tinh bột , glucogen , amylopectin , dextrin, iso maltose và maltose thành glucose, mà không cần có sự tham gia cuả các loại enzyme khác Glucoamylase thuỷ giải các polysaccharide

có phân tử lớn nhanh hơn so với các chất có phân tử nhỏ Các polisaccharide có nhánh như amylopectin, glucogen, β-dextrin bị glucoamylase thủy phân khá nhanh

Đa số glucoamylase có hoạt lực cao nhất ở vùng có pH 3,5 – 5,5 và nhiệt

độ 500C Nó bền với acid hơn α-amylase nhưng kém bền hơn trong rượu, acetone

và không được bảo vệ bởi Ca2+

2.3.4 Oligo 1,6-glucosidase (dextrinase tới hạn)

Enzyme này có thể thuỷ phân liên kết α-1,6 – glucoside trong isomaltose , panose và các dextrin tới hạn thành đường có thể lên men được Enzyme này có

ở VSV nhưng đồng thời cũng có trong các hạt nảy mầm (đại mạch, thóc nảy mầm) Ngoài oligo–1,6–glucosidase, hệ dextrinase của hạt ngũ cốc, hạt nảy mầm còn có amylopectin–1,6–glucosidase hay R–Enzyme và dextrin–1,6–glucoside hay amylo–1,6–glucoside hay dextrin-6-glucocanhydrolase Hai loại Enzyme này đều thuỷ phân dextrin triệt để hơn α-Amylase và β-Amylase do đó trong dung dịch thuỷ phân có nhiều maltose hơn

Nhiệt độ tối thích cho các hoạt động của các dextrinase là 400C và pH tối thích là 5,1

2.3.5 Enzyme pullulanase (α-dextrin6-glucosidase)

Enzyme này có thể thuỷ phân các liên kết α-1,6 của tinh bột, glucogen, pululan và các dextrin tới hạn Điều đáng chú ý là sự định vị của các liên kết α-1,6 có ảnh hưởng lớn đến tác động của enzyme Đặc biệt là sự có mặt của hai liên kết α-1,4 nằm liền kề bên liên kết α-1,6 là điều kiện cần thiết cho enzyme phân cắt liên kết này

Pullulanase phân giải các liên kết α-1,6 glucoside bị bao quanh tứ phía bởi các liên kết α-1,4 Nó còn có khả năng thủy phân cả những dextrin phân tử thấp chỉ gồm có hai gốc maltose nối nhau bằng liên kết α-1,6 glucoside Tác dụng hiệp đồng của α-Amylase và pullulanase làm nó bị thủy phân hoàn toàn

2.3.6 α-glucosidase hay maltase (α-D,glucoside-glucohydrolase)

Nhiều loại nấm sợi sản sinh Enzyme này Giống như glucomylase, nó thủy phân maltose thành glucose nhưng không thủy phân tinh bột Maltase và glucozyltranferase là một Enzyme đồng nhất vừa có khả năng thủy phân liên kết α-1,4, trong các glucopiranoside vừa có khả năng chuyển các gốc glucoside sang đường và rượu

2.4 Ứng dụng

Hiện nay, việc sản xuất chế phẩm enzyme các loại đã và đang phát triển mạnh mẽ trên qui mô công nghiệp Thực tế đã có hàng nghìn chế phẩm enzyme bán trên thị trường thế giới, các chế phẩm này đã được khai thác và tinh chế có mức độ tinh khiết theo tiêu chuẩn công nghiệp và ứng dụng Chế phẩm enzyme không chỉ được ứng dụng trong y học mà còn được ứng dụng trong nhiều lãnh vực công nghiệp khác nhau, trong nông nghiệp, trong hóa học

Theo thời gian, enzym công nghiệp ngày càng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó những enzym ứng dụng nhiều nhất là protease, cellulose, ligase, amylase,… và một số enzym đặc biêt khác đã thu được rất nhiều lợi nhuận từ ngành này Dưới đây là một vài ứng dụng thực tế:

2.4.1 Ứng dụng amylase trong sản xuất bia

Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống, các nước phương Tây chủ yếu

sử dụng enzym amylase của malt để thủy phân tinh bột trong malt, sau đó đến

giai đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces sp Cơ sở khoa học của việc sử

dụng amylase của malt ở chỗ, khi đại mạch chuyển từ trạng thái hạt sang trạng thái nảy mầm (malt), enzym amylase sẽ được tổng hợp và khi đó enzym này sẽ thủy phân tinh bột có trong hạt tạo ra năng lượng và vật chất cho sự tạo thành mầm Như vậy việc đường hóa tinh bột trong hạt nhờ enzym của chính nó Khi

đó hạt chỉ tổng hợp ra lượng enzym amylase vừa đủ để phân hủy lượng tinh bột

có trong hạt Như thế cần rất nhiều mầm đại mạch để sản xuất bia ở qui mô lớn, dẫn đến chi phí cao cho sản xuất và sản phẩm Để khắc phục điều này, trong quá trình lên men tạo bia thì nhà sản xuất không sử dụng hoàn tòan 100% nguyên liệu là malt đại mạch mà có sự pha trộn theo một công thức nào đó để thay thế malt và còn bổ sung nguồn tinh bột cho quá trịnh lên men Lý do là một phần để tạo hương vị cho bia, màu sắc, độ cồn phù hợp cho người tiêu dùng và một phần

là làm giảm giá thành cho sản phẩm bia nhưng vẫn giữ được đặc trưng cho bia Chính vì điều này, các nhà sản xuất bia quan tâm đến việc sử dụng chế phẩm enzym amylase cung cấp cho quá trình thủy phân tinh bột Enzym này có ý nghĩa rất lớn trong việc làm bia, giúp sản xuất bia ở qui mô công nghiệp

Ngoài ra, trong sản xuất bia, người ta còn sử dụng chế phẩm enzym cellulose có tác dụng phá vỡ thành tế bào, tạo điều kiện để các thành phần có trong tế bào hạt thóat ra phía ngoài nhờ đó chất lượng bia được nâng cao hơn Một loại enzym khác cũng được sử dụng khá rộng rãi đó là gluco amylase, enzym này được sử dụng để loại trừ O2 có trong bia, giúp quá trình bảo quản bia kéo dài hơn rất nhiều.

2.4.2 Ứng dụng amylase trong sản xuất cồn

Để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột, mỗi nước sử dụng các loại nguyên liệu khác nhau.Ví dụ, ở Mỹ người ta sử dụng nguyên liệu từ bột ngô để sản xuất cồn, còn ở Brazin lại sử dụng khoai mì, các nước khác sử dụng gạo hoặc tấm từ gạo Qúa trình sản xuất cồn trải qua hai giai đọan: giai đọan đường hóa và giai đọan rượu hóa

Giai đọan đường hóa, người ta bắt buộc phải sử dụng enzym amylase (không thể

sử dụng phương pháp thủy phân tinh bột bằng acid) Người Nhật đã biết sử dụng enzym của nấm mốc trong quá trình đường hóa để sản xuất rượu Sake từ cách đây hơn 1700 năm Người Trung Quốc thì đã sử dụng nhiều loại nấm mốc để đường hóa rượu trong sản xuất rượu cách đây 4000 năm Còn người Việt Nam đã biết sản xuất rượu từ gạo cách đây hàng ngàn năm

Riêng ở Mỹ, mãi đến thế kỷ XIX khi Takamine người Nhật đưa nấm mốc

Aspergillus sang mới biết sử dụng enzym này thay amylase của malt để sản xuất

cồn Chính vì thế mới có phương pháp Micomalt (mầm mốc) trong sản xuất cồn

và rượu Nhờ sự du nhập kỹ thuật này từ Nhật mà người Mỹ tiết kiệm được một khối lượng malt khổng lồ trong sản xuất rượu

Giai đọan rượu hóa, nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae, cũng có thể xem

đây là một quá trình áp dụng enzym Quá trình rượu hóa là quá trình hết sức phức tạp, trải qua rất nhiều giai đoạn chuyển hóa từ đường thành cồn nhờ sự tham gia của nhiều enzym khác nhau Điểm khác với enzym amylase là ở chổ các enzym tham gia quá trình rượu hóa nằm trong tế bào nấm men Việc điều khiển các quá trình chuyển hóa bởi enzym trong tế bào thực chất là quá trình trao đổi chất của nấm men trong môi trường chứa đường

2.4.3 Ứng dụng amylase trong chế biến thực phẩm gia súc

Trong chế biến thức ăn gia súc, thành phần ngũ cốc chiếm một khối lượng rất lớn Trong khối lượng này, thành phần tinh bột rất cao Để tăng hiệu suất sử dụng năng lượng từ nguồn tinh bột, người ta thường cho thêm enzym amylase vào Enzym amylase sẽ tham gia phân giải tinh bột tạo thành đường, giúp cho quá trình chuyển hóa tinh bột tốt hơn

2.4.4 Ứng dụng enzym amylase trong công nghiệp dệt

Trong công nghiệp dệt, người ta thường sử dụng enzym amylase của vi khuẩn để tẩy tinh bột và làm cho vải mềm.Trong vải thô thường chứa khoảng 5% tinh bột và các tạp chất khác Do đó, khi sử dụng chế phẩm enzym amylase của

vi khuẩn vải sẽ tốt hơn Người ta thường sử dụng lượng chế phẩm amylase khoảng 0,3-0,6 g/l dung dịch và thời gian xử lý 5-15 phút ở nhiệt độ 90oC

Tuy nhiên ngoài chế phẩm enzym amylase có nguồn gốc từ vi khuẩn, hiện nay người ta đã quan tâm đến việc sử dụng amylase từ nấm sợi.Cho đến nay có rất nhiều nước đã sử dụng enzym trong công nghiệp dệt để tăng khả năng cạnh tranh các hàng vải, sợi Các nước sử dụng lượng enzym amylase nhiều nhất trong lĩnh vực này là Mỹ, Nhật, Pháp, Đan Mạch

Ngoài ra, enzyme amylase cũng được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong sản xuất đường bột, sản xuất dextrin, maltodextrin, nha glucose, siro, glucose – fructose, sản xuất tương và nước chấm …ở quy mô công nghiệp

2.5 Hệ sinh vật phân giải enzyme amylase

Ngày nay do ưu thế về nhiều mặt, VSV trở thành nguồn thu enzyme amylase chủ đạo Những chủng VSV tạo nhiều amylase thường được phân lập từ các nguồn tự nhiên VSV tạo amylase được dùng nhiều hơn cả là nấm sợi, giả nấm men và vi khuẩn, còn xạ khuẩn thì ít hơn

• Các giống nấm sợi thường dùng là giống nấm sợi Aspergillus, Rhizopus

• Nấm men và giả nấm men thuộc các giống Candida, Saccharomyces

Endomycopsy, Endomyces cũng tạo Amylase.

• Nhiều vi khuẩn có khả năng tạo lượng lớn Amylase như: Bac Polymyxa,

Phytomonas destructans, Bact cassavanum, Clostridium acetobutylium,

Pseudomonas saccharophila… Các vi khuẩn ưa nhiệt có khả năng sinh trưởng

nhanh và phát triển tốt ở nhiệt độ cao nên khi nuôi chúng ít bị nhiễm VSV khác

Đáng chú ý là Bac diastaticus, Bac stearothermophilus, Bac coagulans, Bac

Circulans

• Trong nhóm xạ khuẩn rất hiếm gặp loại tạo amylase mạnh mẽ, tuy nhiên

cũng có một số chẳng hạn như xạ khuẩn ưa nhiệt Micromonospora vulgaris 42

có khả năng tạo một lượng nhỏ α-amylase hoạt động ở 650C cùng với proteinase

và các enzyme khác

2.5.1 Vai trò của giống trong công nghệ enzyme:

Trong công nghệ enzyme từ VSV, giống đóng vai trò quyết định:

• Giống VSV quyết định đến năng suất enzyme của nhà máy

• Giống VSV quyết định đến chất lượng sản phẩm sinh học (hay là hoạt tính enzyme)

• Giống VSV quyết định vốn đầu tư cho sản xuất

• Và cuối cùng là giống VSV quyết định đến giá thành sản phẩm

Như vậy, giống VSV có ý nghĩa to lớn trong phát triển công nghệ VSV

2.5.2 Yêu cầu giống Vi sinh vật

Công nghệ sản xuất enzyme thuộc nhóm công nghệ lên men hiện đại và được sản xuất theo quy mô công nghiệp Do đó, giống VSV ứng dụng trong công nghệ enzyme cần phải có những yêu cầu và những chuẩn mực nhất định Đó là:

• Giống VSV phải cho ra sản phẩm mà ta mong muốn Sản phẩm này phải

có số lượng và chất lượng cao hơn các sản phẩm phụ khác Vì trong quá trình trao đổi chất, để chuyển hóa một khối lượng sinh chất khổng lồ lớn gấp hàng nghìn lần cơ thể mình trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn thì cơ thể VSV cần tổng hợp nhiều chất Do đó, sản phẩm tạo ra sẽ chứa nhiều loại khác Chính

vì thế, giống VSV dùng trong sản xuất một sản phẩm nào đó, thì sản phẩm này phải trội hơn các sản phẩm khác cả về số lượng và chất lượng

• Giống phải cho năng suất sinh học cao

• Giống VSV phải có khả năng thích nghi nhanh và phát triển mạnh trong điều kiện sản xuất công nghiệp

• Giống VSV phải có khả năng đồng hóa các nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm tại địa phương nơi nhà máy đang hoạt động

• Giống sử dụng trong các quá trình sản xuất hiện đại phải là những VSV thuần khiết, có tốc độ sinh sản nhanh.

• Tốc độ trao đổi chất mạnh để tạo nhanh sản phẩm mong muốn; dễ dàng tách sản phẩm ra khỏi các tạp chất môi trường và sinh khối VSV giống

• Giống phải ổn định trong bảo quản và dể dàng bảo quản

Để tạo thuận lợi nhất về chủng giống VSV cung cấp cho quá trình lên men công nghiệp, ta cần tiến hành phân lập giống VSV thuần khiết

2.3.3 Giới thiệu về chủng nấm mốc Aspergillus oryzae 3 – 9 – 15

+ Nấm là vi sinh vật phát triển thành hình sợi phân nhánh Những sợi phân nhánh này phát triển chằng chịt người ta gọi là hệ khuẩn ty hay hệ sợi nấm.+ Nấm mốc không di chuyển được vì không có một cơ quan vận chuyển nào.+ Nấm mốc hoàn toàn hiếu khí, chúng chỉ phát triển được trong điều kiện giàu oxy

+ So với vi khuẩn, nấm mốc chịu được nhiệt độ và axit thấp hơn

+ Màu của Asp Oryzae 3 – 9 – 15 có màu vàng hoa cau.

+ Nhiệt độ tối thích của Asp Oryzae 3 – 9 – 15 khoảng 280C đến 300C

- Cấu tạo nấm mốc: là loại nấm mốc có vách ngăn, đây là trường hợp mà khuẩn ty được tạo thành do một chuỗi tế bào nối tiếp nhau Ngăn cách

giữa hai tế bào là một màng ngăn Trong mỗi tế bào nấm hầu như có đủ cơ quan của một tế bào trong đó quan trọng là có nhân.

- Sinh sản ở nấm mốc: Phát triển bằng khuẩn ty Dưới kính hiển vi có thể thấy từ những đoạn sợi nấm riêng rẽ có thể phát triển bằng khuẩn ty

2.3.4 Nuôi cấy bằng phương pháp bề sâu

• Môi trường dinh dưỡng :

Đặc điểm chung cho mọi môi trường nuôi VSV tạo enzyme amylase là có chất cảm ứng: tinh bột, dextrin hay maltose Nguồn nitơ dinh dưỡng thường dùng

là nitơ vô cơ (NaNO3) Sinh tổng hợp α-amylase hoạt động của chủng

Aspergillus thường chỉ thấy trong các môi trường có các muối của acid sulfuric

Đối với sinh trưởng của một số nấm sợi tạo maltase và oligo–1,6–glucoamylase hoạt động lại rất cần có sự có mặt của Mg trong môi trường Để tạo điều kiện cho VSV phát triển tốt và sinh nhiều amylase người ta cho thêm vào môi trường các loại nước chiết như nước chiết mầm mạch, nước chiết ngô, nước chiết đậu nành,

… đó là nguồn bổ sung amino acid, vitamin và các tạp chất sinh trưởng Dưới đây là một số môi trường lỏng dùng để VSV tạo các enzyme amylase Đối với

Aspergillus, người ta thường nuôi bằng môi trường Sapeck cải tiến gồm : 6% tinh

bột ; 0,9% NaNO3 ; 0,001% FeSO4 ; 0,1% KH2PO4 ; 0,05%MgSO4; 0,05% KCl

và nước máy

Để tăng cường khả năng sinh trưởng của VSV và khả năng tạo enzyme có thể thêm nước chiết mầm mạch, nước chiết ngô, nước cám nấu, nước chiết bột đậu nành

• Nhiệt độ nuôi :

Nhiệt độ nuôi là một trong những yếu tố quan trọng với sinh trưởng của VSV và sự tạo thành các enzyme amylase Không tuân thủ đầy đủ chế độ nhiệt

độ sẽ dẫn tới giảm hoạt lực các amylase Nhiệt độ nuôi tối thích đối với nấm sợi

thuộc giống Aspergillus là 30 – 320C (trong đó có Asp.oryzae 3–9–15 và Asp.awamori 22), Bacillus Môi trường thích hợp nhất và tạo nhiều amylase ở nhiệt độ 370C Một số vi khuẩn khác thì lại có nhiệt độ tối thích cao hơn

Bac.circulans phát triển mạnh ở nhiệt độ 65 – 700C song lại tạo nhiều amylase ở

nhiệt độ 500C vì vậy người ta thường cấy giống ở 700C sau đó tiến hành cho tích lũy ở nhiệt độ 500C nuôi chủng này bằng môi trường nước lỏng gồm nước nấu khoai tây, pepton và phấn Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới độ bền của enzyme tạo

thành amylase của Bac.coagulans và Bac.searothermophilus được nuôi ở 350C

và 550C có độ bền nhiệt khác xa nhau Khi giữ nhiệt ở 900C trong 1 giờ thì amylase của chủng sinh trưởng ở nhiệt độ 350C bị mất 90 – 94% hoạt độ ban đầu ; trong lúc đó amylase của chủng được nuôi ở nhiệt độ 550C chỉ bị vô hoạt có

10 - 12% Các VSV ưa nhiệt thì sinh tổng hợp nên các Amylase bền nhiệt Enzyme với độ bền nhiệt cao có ưu thế lớn trong nhiều lĩnh vực sản xuất Ngoài

ra nuôi vi khuẩn ưa nhiệt lại rất tiện lợi cho việc sản xuất công nghiệp, vì nuôi ở nhiệt độ cao tạo ra điều kiện chọn lọc và cho phép giảm bớt yêu cầu khắt khe về

độ tuyệt trùng, đồng thời khi nuôi đỡ bị nhiễm tạp khuẩn

• Sục khí và khuấy trộn

Phần lớn vi sinh vật tạo amylase là những VSV hiếu khí Vì vậy sinh trưởng của chúng phụ thuộc vào lượng oxy phân tử hoà tan trong dịch nuôi cấy Trong quá trình sinh trưởng của mình, VSV sử dụng oxy phân tử cho hoạt động sống nên lượng oxy hoà tan trong môi trường lỏng phải luôn luôn được bổ sung Chính vì lẽ đó, việc sục khí và khuấy đảo môi trường có tác dụng tốt tới quá trình sinh trưởng và tích luỹ sinh khối cũng như sinh tổng hợp các enzyme của VSV :

Việc khuấy đảo bằng các cách như sau :

+ Sục không khí vô trùng vào thiết bị nuôi

+ Bằng máy móc chuyên dùng

+ Bằng tác dụng hiệp đồng của cả sục khí lẫn máy khuấy

+ Bằng tác dụng của các khí sinh ra khi lên men

* Đối với nấm sợi, chế độ sục khí thích hợp là 10 – 12m3 không khí vô trùng (có nhiệt độ không quá 400C) trên 1m3 môi trường trong 1 giờ với thời gian nuôi trong khoảng 68 – 72giờ Với thời gian nuôi ngắn hơn ở các thùng lên men nhân giống (48giờ) và trong các thùng lên men sản xuất (48 – 52giờ) thì lượng không khí cần sục vào môi trường để nuôi Asp.Oryzae (3-9-15) phải là 30m3/m3 môi trường/giờ đối với thùng nhân giống và 40m3/m3 môi trường/giờ cho thùng sản xuất Mức độ sục khí tối ưu để nuôi Asp.Oryzae (3-9-15) tương

ứng với 180 micromol O2/lít môi trường (nồng độ oxy hoà tan đo bằng máy cực phổ với điện cực kiểu clark) Chủng này có vận tốc tiêu thụ oxy hoà tan cực lớn vào cuối pha sinh trưởng logarit Vận tốc tiêu thụ O2 giảm dần từ lúc bắt đầu pha

ổn định Nuôi VSV ưa nhiệt đòi hỏi nhiều không khí hơn là nuôi VSV ưa ẩm Bảng 2.1 Nhiệt độ và pH của một số enzyme amylase do VSV tổng hợp

Enzim amylaza có từ nhiều nguồn khác nhau như từ thực vật, động vật, nhưng ngày nay người ta thu nhận enzim amylaza chủ yếu từ vi sinh vật là chính Gồm hai phương pháp chính nuôi cấy bề mặt và nuôi cấy bề sâu

3.1 Ưu nhược điểm của phương pháp nuôi cấy bề sâu:

Vi sinh vật được nuôi cấy trên môi trường lỏng có sục khí

Ưu điểm:

- Có tính liên tục tiết kiệm được diện tích sản xuất

- Dễ cơ giới hóa và tự động hóa, do đó năng xuất cao

- Sử dụng hợp lý các chất dinh dưỡng của môi trường.

- Enzim thu được ít lẫn tạp chất

3.2 Sơ đồ công nghệ phương pháp nuôi cấy bề sâu:

Hình 3.1 Quy trình phương pháp nuôi cấy bề sâu

3.3 Thuyết minh dây chuyền công nghệ:

3.3.1 Môi trường:

Đặc điểm chung cho mọi môi trường nuôi vi sinh vật tạo amylaza là có chất cảm ứng: tinh bột, dextrin hay mantoza Nguồn nitơ dinh dưỡng thường hay dùng là nitơ vô cơ (NaNO3) Để tạo điệu kiện cho vi sinh vật phát triển tốt và sinh nhiều amylaza người ta thường cho thêm vào môi trường các loại nước chiết như nước chiết mầm mạch, nước chiết ngô, nước chiết đậu nành v.v… Đó là nguồn bổ sung axitamin, vitamin và các tạp chất sinh trưởng

Môi trường chọn nuôi cấy là môi trường Fenikxova và Dvatxatova để nuôi

Aspergillus oryzae 3 – 9 – 15 với mục đích thu enzim α – amylaza môi trường có

6% bột ngô; 0,9% NaNO3; 0,005% MgSO4 và 10% nước chiết mầm mạch (100g mầm/1lít nước), pH môi trường 6 – 7 Môi trường sau khi chuẩn bị được phối trộn cùng với nước lạnh, sau đó được thanh trùng trong thiết bị thanh trùng riêng hoặc trong thiết bị lên men bằng hơi nóng trực tiếp ở nhiệt độ 118 – 1250C trong khoảng 45 – 60 phút Môi trường sau khi làm nguội đến nhiệt độ 30 – 320C sẽ tiến hành tiếp giống

3.3.2 Chọn giống và nhân giống:

Để phù hợp với môi trường được chọn ta chọn giống nuôi cấy là

Aspergillus oryzae, là loại nấm mốc có bào tử màu vàng hoa cau, sinh sản vô tính

bằng cách tạo thân quả

Giống được tiếp từ ống nghiệm qua các bình tam giác, đặt trên máy lắc, rồi sau đó chuyển sang thùng nhân giống cấp 2 cho sản xuất có thể tích bằng 5 –

10 phần trăm thùng lên men trong khoảng 48 – 52 giờ, sau đó chuyển sang thùng lên men để nuôi cấy thu enzim Lượng giống đem nuôi cấy vào thùng lên men là 8% đến 10% so với môi trường lên men Môi trường dùng để nhân giống tương

tự như môi trường nuôi cấy, chế độ sục khí là 30m3/1m3 môi trường/1giờ

3.3.3 Nuôi cấy (lên men):

Trước khi nuôi cấy thì cần phải vệ sinh, tiệt trùng thiết bị lên men một cách nghiêm ngặt tránh nhiễm trùng Sau đó cho môi trường và giống cấp 2 vào thùng lên men, thời gian nuôi cấy 68 – 72 giờ

Điều chỉnh pH: Trong quá trình nuôi cấy cần điều chỉnh pH của môi trường vì đây là một trong những điều kiện quan trọng có ảnh hưởng lớn tới sinh

tổng hợp enzim α – amylaza, trong quá trình nuôi cấy thì pH của môi trường

giảm vì vậy cần điều chỉnh để độ pH ổn định bằng cách bổ sung CaCO3 vào để trung hòa

Nhiệt độ nuôi cấy: Cũng là một yếu tố quan trọng đối với sinh trưởng của

vi sinh vật và sự tạo thành enzim α – amylaza Không tuân thủ đầy đủ chế độ

nhiệt độ sẽ dẫn đến làm giảm hoạt độ của enzim amylaza Nhiệt độ nuôi cấy của nấm mốc Asp oryzae là 30 đến 320C

Sục khi và khuấy trộn: vi sinh vật Asp oryzae là vi sinh vật hiếu khí Vì

vậy, sinh trưởng của chúng phụ thuộc vào lượng oxy phân tử hòa tan trong dịch nuôi cấy

Trong quá trình sinh trưởng của mình, vi sinh vật sử dụng oxy phân tử cho hoạt động sống nên lượng oxy hòa tan trong môi trường lỏng phải luôn luôn được bổ sung Chính vì lẽ đó việc sục khí và khuấy đảo môi trường có tác dụng tốt tới sinh trưởng và tích lũy sinh khối cũng như sinh tổng hợp các enzim của vi sinh vật Việc khuấy đảo môi trường dinh dưỡng trong quá trình nuôi vi sinh vật

có thực hiện bằng nhiều cách khác nhau Bằng cách chỉ có sục không khí vô trùng vào thiết bị nuôi, hoặc tác dụng hiệp đồng của cả sục khí lẫn khuấy trộn, việc sục khí và khuấy đảo liên tục được thực hiện liên tục trong quá trình nuôi

Mức độ sục khí tối ưu để nuôi Asp oryzae 3 – 9 – 15 tương ứng với 180

micromol O2/lít môi trường Chủng này có tốc độ tiêu thụ oxy cực lớn vào cuối pha sinh trưởng logarit Vận tốc tiêu thụ oxy giảm dần từ lúc bắt đầu pha ổn định

Dập bọt : Để dập bọt tạo ra trong quá trình nuôi cấy có thể cho vào môi trường một ít axit oleic đã thanh trùng

Thời gian nuôi cấy: Đối với chủng Asp oryzae 3 – 9 – 15 trong thùng lên men nhân giống 48 giờ còn nuôi trong thùng lên men sản xuất thì khoảng 68 – 72 giờ Khi hoạt độ của enzim amylaza đạt được 300 đơn vị HđA/g thì coi như kết thúc quá trình nuôi cấy

Lọc, cô đặc và sấy phun: Môi trường sau khi nuôi vi sinh vật phải được lọc bỏ sinh khối vi sinh vật, sau khi lọc nồng độ enzim rất thấp, nên bước đầu

người ta phải cô đặc Dịch lọc từ canh trường có nồng độ chất khô từ 4 – 6 g/lít được cô đặc lên đến 15 – 20 g/l ở nhiệt độ 350C Trong thiết bị có độ chân không cao Sau đó cô đặc tiếp ở nhiệt độ 40 – 450C để đạt nồng độ chất khô 30 đến 40g/l rồi bổ sung thêm chất ổn định và sau đó đem sấy phun ở thiết bị có nhiệt độ

1200C và đầu ra là 400C sẽ thu được chế phẩm thô dạng bột

Đóng gói: Sau khi thu được chế phẩm enzim dạng bột ta đem đi đóng gói bằng thiết bị bao gói tự động khối lượng của mỗi gói tùy thuộc vào nhu cầu khách hàng

PHẦN 4 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 4.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy:

Nhà máy hoạt động liên tục trong năm trừ những ngày nghỉ do nhà nước quy định và những ngày sửa chữa thiết bị gồm

- Chủ nhật 52 ngày

- Tết dương lịch 1 ngày

- Tết nguyên đán 5 ngày

- Ngày quốc tế lao động 1 ngày

- Ngày miền Nam hoàn toàn giải phóng 1 ngày

- Ngày quốc khánh 1 ngày

- Giỗ tổ Hùng Vương 1 ngày

Bảng 4.1 Kế hoạch sản xuất của phân xưởng sản xuất trong năm

Để theo dõi quá trình lên men thì phân xưởng phải làm việc 3 ca/ngày Thì

số ca làm việc cho các tháng và cả năm như sau:

Bảng 4.2 Số ca làm việc cho các tháng và cả năm

Số ngày 26 24 26 25 27 26 26 27 26 26 26 27

Tổng số ca làm việc cho cả năm: 942 ca

4.2 Cân bằng vật chất:

- Năng suất của phân xưởng: 500.000 lít/ngày

- Mức hao hụt nguyên liệu qua từng công đoạn

Bảng 4.3 Mức hao hụt nguyên liệu qua từng công đoạn

4.2.1 Cân bằng vật chất cho 100 kg nguyên liệu ngô mảnh:

4.2.1.1 Lượng nguyên liệu còn lại sau vận chuyển vào silo chứa (Gn)

5 , 99 100

) 5 , 0 100 (

) 1 100 (

5 , 99

027 , 97 100

) 5 , 1 100 (

505 ,

) 2 100 (

027 ,

) 2 100 (

087 ,

=

mt

4.2.1.6 Thể tích môi trường sau khi tạo (Vt)

Dựa vào lượng nguyên liệu bột ngô chiếm 6kg/100 lít môi trường lên men ta tính được thể tích môi trường lên men

08 , 1553 6

100 185 ,

=

t

4.2.1.7 Thể tích canh trường còn lại sau khi lên men(Vlm)

Do ta chọn lượng hao hụt cho quá trình lên men là 8% và lượng giống bổ sung vào môi trường cũng bằng 8% do vậy thể tích canh trường sau khi lên men bằng thể tích môi trường sau khi tạo Vlm = 1553,08(lít)

4.2.1.8 Thể tích canh trường sau khi thu nhận :

1545 , 3

100

) 5 , 0 100 (

08 ,

=

TN

4.2.2 Tính cân bằng vật chất cho một ngày sản xuất :

Năng suất cho một ngày sản xuất theo bán thành phẩm là 500000 lít chế phẩm enzim thô

4.2.2.1 Lượng ngô mảnh cần cho một ngày sản xuất.(Gnm)

)(18,323563

,1545

100.500000

kg

4.2.2.2 Lượng bột ngô để pha chế môi trường cho một ngày sản xuất:

) ( 1 , 30151 100

185 , 93 18 , 32356

kg

4.2.2.3 Thể tích môi trường cần cho một ngày sản xuất.(Vmt)

39 , 502518 6

100 1 ,

có chứa 9g NaNO3

67 , 4522 1000

9 39 , 502518

05 , 0 39 , 502518

10 39 ,

39 , 502518 ).

9 0 005 , 0 6 10 100

8 39 , 502518

=

=

g V

(lít)

Nuôi cấy trong phòng thí nghiệm:

10ml 100ml 1000ml Đưa đi lên men ở thiết bị nhân giống cho sản xuất

Lượng giống đưa vào để nhân giống cho sản xuất là 10%

Giả sử trong quá trình nhân giống cấp 2 thì hao hụt so với giống bổ sung là tương đương nhau vì vậy có thể bỏ qua

Do vậy ta có lượng giống cấp 2 cần là: V2 = 40201,5.10/100 = 4020,15 (lít)

Lượng giống cấp 1 cần: V1 = 4020,15/10 = 402,015 (lít)

Vậy lượng giống gốc cần là: VG = 402,015/10 = 40,2015 (lít)

Số ống giống gốc là: n = 40,2015.1000/10 = 4020,15 (ống) ~ 4021 (ống)

4.2.2.9 Thu nhận chế phẩm :

Theo đề tài thì lượng chế phẩm enzyme thô thu được ở công đoạn này là

500000 lít/ngày

4.2.2.10 Lọc :

Giả sử khối lượng chất khô trong canh trường la 10%

50000 100

10

500000 = (kg/ngày)Lọc được 7% lượng chất khô với nồng độ 10g/l

Khối lượng chất khô được lọc :

3500

100

7

50000 = (kg/ngày)Lượng chất khô sau khi lọc:

3447 , 5 ( / )

100

) 5 , 1 100 (

3500

ngày kg

=

−Lượng chất khô hao hụt:

52 , 5 ( / )

100

5 , 1 3500

ngày kg

4.2.2.10 Cô đặc :

Lượng chất khô sau khi cô đặc:

3447,5x(100-2)/100=3378,55(kg/ngày)Lượng chất khô hao hụt:

3447,5x2/100=68,95(kg/ngày)

Cô đặc đến nồng độ 25g/l

Thể tích dịch enzyme lúc này là:

3378,55x1000/25= 135142 (lít/ngày)Thêm chất bảo quản để đạt nồng độ 40 g/l Lượng chất bảo quản là:

25 , 50678 55

, 3378 1000

135142

4.2.2.11 Sấy phun :

Lượng chất khô tuyệt đối trước khi sấy là

54056 , 8

1000

135142

Sau khi sấy độ ẩm đạt 10%

Lượng enzyme kỹ thuật thu được:

)/(57,5297)

90100(100

)2100(8,

)/(95,105100

257,

4.2.2.12 Làm nguội :

Lượng hao hụt 0,5%

5297,57x(100-0,5)/100= 5271,1 (kg/ngày)4.2.2.13 Bao gói:

Lượng hao hụt 0,5%

Lượng sản phẩm sau công đoạn này:

5271,1x(100-0,5)/100= 5245,2 (kg/ngày)

Bảng 4.4 Lượng nguyên liệu cần cho một ngày sản xuất:

Bảng 4.5 Tổng kết về nguyên liệu bán thành phẩm trong một ngày.

Chọn thiết bị phải phù hợp với điều kiện sản xuất phù hợp với chi phí đầu

tư nhà máy nói chung và phân xưởng nhà máy nói riêng là một việc làm hết sức quan trọng

5.1 Silo chứa ngô mảnh:

Silo chứa ngô mảnh có sức chứa dùng trong 7 ngày, thiết bị được làm bằng tấm thép

- Giả sử dung trọng của ngô mảnh là 0,7kg/lít

- Vậy thể tích của ngô mảnh cần dùng trong 1 ngày là:

Vnm = 32356,18 /0,7 = 46223,11 (lít)

- Thể tích ngô mảnh cần cho một tuần sản xuất là:

VT = 46223,11*7 = 323561,77 (lít)

Ta chọn 4 silo có hệ số chứa đầy của 1 silo là 0,8.

3

1(

3

1(

3

=

H D

dHình 5.1 Silo chứa ngô mảnh

Thay số vào ta được: 0,16) 3.3.3 110

3

1916,0(3

Bảng 5.1 Đặc tính kỹ thuật của máy:

Số vòng quay của tang, độ/s

Công suất thiết kế(KW)

12

5004151,22,2

Thời gian làm việc của thiết bị phân li từ tính cho một mẻ là:

Lượng nguyên liệu trước khi vào thiết bị phân li từ tính

62,32032100

)1100.(

=

62,

=

PL

5.3 Bộ định lượng kiểu vít tải (4,t83)

Chọn bộ định lượng kiểu vít tải dạng B – 1:(4; t 83)

Hình 5.2 Bộ định lượng kiểu vít tải dạng B-1

1 Bộ truyền động trục vít 2 Bộ biến tốc 3 Động cơ 4 Vỏ hình trụ

5 Vít vận chuyển

Đặc điểm kỹ thuật: Vỏ hình trụ của bộ nạp liệu được lắp đặt vào các ống khớp nối tải liệu và tháo liệu Bên trong có vỏ vít tải xoắn vận chuyển Các mặt nút của vỏ được lắp kín bởi các nắp và các cơ cấu bịt kín

Chức năng: Dùng để tải nguyên liệu dạng hạt bột có kích thước hạt đến 5mm, độ ẩm 1,5% và mật độ xếp 1,9 kg/cm3 Bộ định lượng kiểu vít tải được sử dụng thực chất là những cơ cấu tải liệu trong ống nằm ngang của đường dẫn nguyên liệu và có thể điều khiển bằng thủ công Chọn bộ định lượng có năng suất 1,5m3/h

Thời gian định lượng cho một mẻ là:

Lượng nguyên liệu trước khi vào bộ định lượng là 32356,18 (kg)

82,301000.7,0.5,1

=

dl

=

Năng xuất nghiền của thiết bị: Q = 0,5922 (tấn/h)

Công suất của động cơ:

)240002

(35300

L

Chiều dài của trục nghiền: L = 40(cm)

Đường kính của trục nghiền: D = 25(cm)

Đường kính vật liệu trước khi nghiền:

do = 0,2(cm)

Chọn vận tốc vòng quay: n = 90(vòng/phút)

135,55)2400

252

2,0(35300

540.25

=+

- Sức chứa của gàu, m3: V = 0,4.10-3.

- Tốc độ chuyển động của gàu, m/s: v = 0,8 m/s

L

k v V

(4,t55)Thay số vào:

35,0

85,0.306.8,0.10.4,0.6,3

3

=

Như vậy chọn gàu tải có năng suất: Q = 1 (tấn/h)

- Công suất của gàu được tính theo công thức sau:

η

.1000

g H Q

N = (kw) (4,t55)

Trong đó:

-Q: Năng suất của gàu, 1tấn/h

-H: Chiều cao của gàu, chọn H = 10m

-G: Gia tốc rơi tự do: 9,81 m/s2

-η: Hệ số hữu dụng dẫn động chọn: η = 0,85.

Thay số vào ta có:

115,085,0.1000

81,9.10

3,0.14,3

5.6 Thiết bị hòa tan các muối vô cơ:

Thùng chứa được chế tạo bằng thép không gỉ, là loại thân trụ đáy elip

tr e

Thay các thông số vào ta có: Htr = 9,17 (m)

Vậy tổng chiều cao thiết bị là: Htb = 9,17 + 0,5 = 9,67 (m)

5.7 Thiết bị đảo trộn tạo môi trường lên men(4,t95)

Chọn thiết bị trung hòa có cơ cấu đảo trộn loại bơm bằng hơi nén Thiết bị gồm 4 ống khuếch tán có độ dài khác nhau và có ống dẫn để thông khí nén và được chế tạo bằng thép chịu axít bên trong được tráng bằng những nguyên liệu không gỉ

Nguyên tắc hoạt động của cơ cấu chuyển đảo bằng khí nén như sau:

Không khí theo đường ống vào ống khuếch tán và khi chuyển đảo với chất trung hòa tạo ra hỗn hợp khí và lỏng, mật độ của hổn hợp nhỏ hơn mật độ của chất trung hòa ngoài tường của ống khuếch tán Do sự khác nhau về mật độ trong thiết bị làm xảy ra sự tuần hoàn mạnh chất lỏng Tiêu hao không khí để chuyển đảo khoảng 1m3/phút cho 1m3 chất trung hòa.

Hình 5.5 Thiết bị trung hòa dạng “máy bơm bằng khí nén”

1- Khớp nối để nạp nước chống bọt; 2 và 3- Cửa; 4- Ống nối để nạp chất trung hòa khi nối liên tục các thiết bị; 5- Các bản nối; 6- Ống khuếch tán; 7- Cửa, khe nhìn; 8- Cố định ống khuếch tán

Tính các thông số kỹ thuật: Thân thiết bị dạng hình trụ, đáy hình nón, có góc hợp với thân α = 450

Chọn 3 thiết bị có hệ số chứa đầy ϕ =0,8.

Thể tích thiết bị là: 209382,67

3.8,0

4,04452

tg d D

)(4

2

m H D

4

1 3

m d D d D h

Thay vào (*) ta có:

210) (

.4

1 3

14

2

=+

14

14,3

=+

++

H

Suy ra: H = 10 (m)

Chiều cao của thiết bị: Htb = h + H = 10 + 1,8 = 11,8 (m)