Sản xuất vitamin C_quy trình lên men D-Sorbitol ra L-Sorbose

Vài nét lịch sử Vào năm 1928 Albert Szent Gyorgyi chiếc xuất thành ông vitamin C bắt đầu cho hàng loạt các phát hiện khác liên quan đến vitamin C trong y học và sản xuất như: - 1932 Hawo

Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh

Khoa Kỹ Thuật Hóa HọcNgành Công Nghệ Sinh Học

Tiểu Luận Sản xuất VitaminCThành viên:

Mục lục

Mục lục 3

PHẦN I: VITAMIN C 3

PHẦN 2: QUY TRÌNH CHUNG TỔNG HỢP VITAMIN C 13

PHẦN 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BÌNH LÊN MEN 22

1.Tính toán các thông số động học của bình lên men 23

2.Tính toán thiết kế bình khuấy: 29

3.Quá trình truyền nhiệt của thiết bị lên men 31

4.Nhận xét 34

PHẦN I: VITAMIN C

1 Đôi nét

 D-Ascorbic Acid, thường được biết đến rộng rãi là Vitamin C là một thành phần quan trọng có trong dinh dưỡng của con người, là một chất chống oxy hoá và là enzyme quan trọng cho hệ thống tiêu hoá; mà thiếu nó thì sẽ gây ra bệnh scorbut cho con người

3

Acid ascorbic (Dạng khử) Acid dehydroascorbic (Dạng oxi hóa)

Tính chất

lactone-2,3-enediol or (R)-3,4-dihydroxy-5-((S)- 1,2- dihydroxyethyl)furan-2(5H)-

oneCông thức hóa học C6H8O6

Nhiệt đô nóng chảy 190-192 0C

 Vitamin C kết tinh không màu hoặc hơi vàng, rất dễ tan trong nước

(300g/lít) Dung dịch nước 5% có pH=3 Có khi dùng dạng muối natri dễ tan trong nước hơn (900g/lít)

 Sự hiện diện của ascorbat là cần thiết trong một loạt các phản ứng trao đổi

chất trong tất cả các động vật và cây cối và được được tạo ra trong cơ thể bởi

hầu như tất cả các cơ thể sinh vật, loại trừ loài người

4

Nguồn gốc

5

 Vitamin C có nhiều trong các loại rau quả tươi như nước cam, chanh, quít, và có

hàm lượng cao trong rau xanh, đặc biệt là bông cải xanh, tiêu, khoai tây, cải

brussel,rau cải, cà chua, xoong cam, quýt, chanh, bưởi …

Vitamin C là vi chất thiết yếu cho cơ thể người đặc biệt là cho phụ nữ mang thai và trẻ nhỏ

 Một người thường trung bình cần 45mg/ngày, riêng phụ nữ đang mang thai là

55mg/ngày và cho con bú thì cần nhiều hơn 90mg/ngày,trẻ em từ sơ sinh đến 3 tuổi cần 20-30mg/ngày,từ 4-18 tuổi cần 30-40 mg/ngày (theo nguồn của Tổ chức Y tế thế

giới và Tổ chức Nông lương Liên hiệp quốc, 2002)

World's Healthiest Foods ranked as quality sources of:

DV (%)

Nutrient Density

World's Healthiest Foods Rating

Bell peppers, red, raw,

Broccoli, steamed 1 cup 43.7 123.40 205.7 84.8 ExcellentCauliflower, boiled 1 cup 28.5 54.93 91.5 57.8 Excellent

Lemon juice, fresh 0.25 cup 15.2 28.06 46.8 55.2 ExcellentRomaine lettuce 2 cup 15.7 26.88 44.8 51.4 ExcellentMustard greens, boiled 1 cup 21.0 35.42 59.0 50.6 ExcellentBrussel sprouts, boiled 1 cup 60.8 96.72 161.2 47.7 excellent

Turnip greens, cooked 1 cup 28.8 39.46 65.8 41.1 excellentGrapefruit 0.50 each 36.9 46.86 78.1 38.1 excellent

Cantaloupe, cubes 1 cup 56.0 67.52 112.5 36.2 excellent

6

Cabbage, shredded, boiled 1 cup 33.0 30.15 50.2 27.4 excellent

Asparagus, boiled 1 cup 43.2 19.44 32.4 13.5 excellentSpinach, boiled 1 cup 41.4 17.64 29.4 12.8 excellentCucumbers, slices, with

World's Healthiest

excellent DV>=75% OR Density>=7.6 AND DV>=10%very good DV>=50% OR Density>=3.4 AND DV>=5%

2 Vài nét lịch sử

Vào năm 1928 Albert Szent Gyorgyi chiếc xuất thành ông vitamin C bắt đầu cho

hàng loạt các phát hiện khác liên quan đến vitamin C trong y học

và sản xuất như:

- 1932 Haworth và King lập nên cấu trúc vitamin C

- 1932 mối quan hệ giữa vitamin C và các yếu tố chống bịnh hoại huyết được phát hiện bởi Szent-Györgyi và cùng một lúc bởi King và Waugh

- 1933 Basle, Reichstein tổng hợp acid ascorbic trong tự nhiên vitamin C Đây là bước đầu tiên hướng tới sản xuất công nghiệp vitamin c vào năm 1936

7

3 Lợi ích của vitamin C

a Thúc đẩy sự hình thành collagen

Khi thiếu vitamin C, quá trình tổng hợp collagen gặp trở ngại, khiến các vết thương lâu lành dẫn đến xuất huyết ở nhiều mức độ khác nhau (vỡ mao mạch, chảy máu dưới da, chảy máu lợi), thành mạch yếu… là các hiện tượng thường thấy ở bệnh scobat

b Chất kích hoạt enzyme

Vitamin C có thể bảo vệ vitamin A, vitamin E, và các axit béo thiết yếu khỏi bị tiêu huỷ; làm cho sắt có trong thức ăn được duy trì trong trạng thái hoàn nguyên, thúc đẩy sự hấp thụ và chuyển dịch tồn trữ sắt trong cơ thể Làm cho can-xi trong thành ruột không bị kết tủa, giúp cải thiện tỷ lệ hấp thụ can-xi vào cơ thể Tham gia phản ứng hydroxyt của cholesterol thành axit cholic, có hiệu quả nhất định trong điều trị thiếu hồng cầu

c Tham gia quá trình chuyển hóa cholesterol

Giúp 80% cholesterol chuyển hóa thành sulfat tan trong nước để bài tiết khỏi cơ thể, giảm hàm lượng cholesterol trong máu; loại bỏ cholesterol tích tụ trong động mạch; gia tăng các thành phần có ích của máu như lipoprotein, có ý nghĩa quan trọng trong phòng chống xơ vữa động mạch

8

d Tham gia quá trình bài tiết chất độc khỏi cơ thể

Tiếp tục ô-xy hóa thành glutathione (diketo golunat) cùng với chất độc trong cơ thể

bị bài tiết ra ngoài

e Phòng chống ung thư

Việc giảm vitamin C trong đường tiêu hóa ngăn chặn sự hình thành nitrosamines, có hiệu quả ngăn ngừa sự xuất hiện của các khối u đường tiêu hóa; ngoài ra vitamin C còn tham gia trong tổng hợp collagen, giúp các tế bào kẽ duy trì cấu trúc bình

thường, làm giảm quá trình phát triển của tế bào ung thư

có thể giảm 50% nguy cơ bị cảm lạnh và giảm 23% các triệu chứng cảm cúm

g Bảo vệ da, chống nếp nhăn

Vitamin C là chất kích hoạt enzyme, có thể gia tăng sự hoạt động của một số kim loại, giúp da chống lại các gốc tự do sinh ra bởi tia cực tím, tránh sự xuất hiện của tàn nhang, thúc đẩy sự trao đổi chất, góp phần ngăn ngừa lão hóa da

4 Các sản phẩm vitamin C trên thị trường

9

Vitamin thô (acid ascorbic) thường không bền vững trong điều kiện bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, acid hay các hợp chất alkan Để hạn chế sự phân hủy trong sử dụng, vitamin thô được phối trộn với các thành phần khác hay cũng

có thể các vitamin được cải tiến đa dạng hơn để đưa vào sản xuất

Vitamin C trên thị trường rất đa dạng về mẫu mã Bao gồm các dạng bột, dạngviên; độ tinh khiết khác nhau và cải tiến hóa học như Sodium ascorbate và Calcium ascorbate

10

Chú ý:

 Nếu chế độ ăn uống không đủ đáp ứng nhu cầu vitamin C của cơ thể, thì có thể thay thế bằng dạng viên bổ sung (2-3 viên mỗi ngày) Vitamin C là chất hòa tan trong nước Nếu lượng Vitamin C trong cơ thể dư thừa, chúng sẽ tự động bài tiết khỏi cơ thể, không mang độc tính Ngoài ra, người hút thuốc lá, aspirin, thuốc tránh thai, thường xuyên căng thẳng tâm lý và làm việc trong môi trường nóng bức có thể tăng cường bổ sung lượng vitamin C cho cơ thể

 Các sản phẩm mỹ phẩm thường chứa nhiều vitamin C, dùng không đúng cách sẽ

gây ra tác dụng phụ Vitamin C có tính thẩm thấu mạnh, sử dụng quá nhiều khiến da

bị mất nước, khô da và thậm chí đỏ rát da Vitamin C có trong mỹ phẩm có thể đượcđiều chế qua nhiều hình thức Vì vậy, phụ nữ muốn làm đẹp, hãy dùng rau quả tươi

và hoa quả để sự hấp thụ vitamin C được tốt hơn

12

PHẦN 2: QUY TRÌNH CHUNG TỔNG HỢP VITAMIN C

1 Giới thiệu phương pháp sản xuất

Kỹ thuật của công nghệ sản xuất acid ascorbic được dựa trên sự tổng hợp Reichstein cổ điển Đây là quy trình thường được áp dụng ở các nhà máy sản xuất tuy nhiên nó đã được phát triển hơn bằng cách sử dụng cộng nghệ mới nhất, đặc biết

là giảm thiểu tiêu tốn năng lượng, hạ giá thành sản phẩm và cải thiện điều kiện môi trường

“Hiện nay tại Việt Nam, quá trình sản xuất acid ascorbic đang được chính phủ đầu tư kinh phí theo Quyết đinh của thủ tướng chính phủ số 61/2007/QĐ –TTG ngày 07 tháng 05 năm 2007 về việc phê duyệt “chương trình nghiên cứu khoa học công nghệ trọng điểm quốc gia phát triển công nghiệp hóa dược đến năm 2020’’ ở hạng mục :

Nội dung 1: Nghiên cứu công nghệ mới tạo nguyên liệu để sản xuất vitamin C:

+ Khảo sát các chủng vi sinh vật acetobacter và pseudomonas dùng để chuyển đổi sorbitol thành acid 2-ketogulonic;

+ Khảo sát phản ứng ester hoá acid 2-ketogulonic;

+ Khảo sát phản ứng enol hoá và lacton hoá, tinh chế thành vitamin C

+ Nghiên cứu phương pháp thu hồi và bảo quản sản phẩm;

+ Ứng dụng vào chế biến một số sản phẩm bánh kẹo, kem.

13

Dự kiến kết quả:

+ Quy trình công nghệ sản xuất sorbitol từ đường glucose;

+ Dây chuyền thiết bị pilot sản xuất sorbitol công suất 100 tấn/năm “

Vitamin C đã được sản xuất thương mại bằng cách chiết xuất từ thực vật, bằng cách tổng hợp hóa học, bằng con đường lên men và phương pháp hỗn hợp lên men / tổng hợp hóa học

14

Sản xuất vitamin C được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau

Trong đó, có thể kể đến 2 phương pháp sau:

Trong bước đầu tiên của cả quá trình Reichstein truyền thống và quá trình lên

(Sorbitol có thể được tạo thành bằng cách giảm Glucose ở nhiệt độ cao)

15

2 Quy trình Reichstein

16

Được phát minh bởi Tadeus Reichstein và đồng nghiệp của ông vào năm 1933, quy trình này được sử dụng trong tổng hợp acid ascorbic từ Glucose và sau đó được bán cho Hofmann La Roche vào năm 1935.

 Quá trình Reichstein là một phương pháp hỗn hợp giữa lên men và tổng hợp hóa học, lần đầu tiên được sử dụng trong năm 1933 và vẫn còn được sử dụng bởi Roche, BASF và Takeda

 Trong đó, sorbose được chuyển hóa thành acid diacetone ketogulonic (DAKS)

trong một quá trình hóa học 2 giai đoạn

Bước đầu tiên liên quan đến một phản ứng với acetone, tạo ra diacetone sorbose, mà sau đó bị oxy hóa bởi clo và sodium hydroxide tạo DAKS

 Tiếp theo, DAKS được hòa tan trong 1 hỗn hợp các dung môi hữu cơ Và bằng cách sử dụng một chất xúc tác axit, cấu trúc của nó được sắp xếp lại để hình

thành vitamin C (Giai đoạn này tương tự như trong quá trình lên men hai giai đoạn)

 Cuối cùng, các vitamin C thô được tinh chế qua sự tái kết tinh.Nhiều thay đổi kỹ thuật và hóa học đã được thực hiện để tối ưu hóa và rút ngắn các con đường phản ứng khác nhau

Do đó, mỗi bước có một năng suất trên 90%

Tổng sản lượng vitamin C từ đường là khoảng 60%

 Các giai đoạn khác nhau của quá trình Reichstein sử dụng số lượng đáng kể của các dung môi hữu cơ cơ và vô cơ và hóa chất Chúng bao gồm acetone, acid sulfuric

và hydroxit natri Mặc dù một số các hợp chất này có thể được tái chế, việc kiểm soát nghiêm ngặt môi trường là cần thiết, do đó chi phí xử lý chất thải là đáng kể

Sơ đổ quy trình Reichstein:

17

Acid Di –acetone Ketogulonic

Quy trình Reichstein Sorbitol

D-Glucose

Gluconobacter Suboxydans

Sorbose

Diacetone sorbose

Clo + NaOH Acetone

Vitamin

C thô

Vitamin

C tinh khiết

Các dung môi hữu cơ

Tinh chế

3 Quy trình lên men hai giai đoạn

Phương pháp mới hơn được phát triển tại Trung Quốc đã được triển khai tới một số công ty châu Âu Với chi phí sửa chửa và vốn ban đầu thấp hơn dẫn đến việc tiết kiệm chi phí chỉ còn bằng một phần ba so với phương pháp Reichstein

 Trong quy trình này, giai đoạn lên men thứ 2 được thay thế bởi phản ứng hóa họcdùng để tổng hợp DASK trong phương pháp Reichstein Việc lên men tạo ra sảnphẩm trung gian là KGA Tất cả các nhà sản xuất đều sử dụng chỉ một loài Vi sinhvật để lên men

 Hai phản ứng hóa học tiếp theo giống với giai đoạn cuối của quá trình Reichstein,hoàn tất việc tổng hợp vitamin C

 So sánh với phương pháp Reichstein, phương pháp lên men 2 giai đoạn cần sửdụng ít hơn các dung môi và tác nhân độc hại, vì thế giảm được chi phí cho quá trình

xử lý thải

Dưới đây là bảng giới thiệu phương pháp sản xuất Vitamin C của một số hãng:

19

 Monitoring and controlling parts of fermenter are:

1 Pt100 temperature sensor (platinum resistance electrode)

2 Foam probe kept above the medium level to sense foamformation

4 O2 sensor Monitors dissolved oxygen level

5 Heater pad directly heats the medium

20

6 Cold finger after direct heating – used to cool the vessel contents

(closed coil/pipe to pass cool water)

7 Rotameter variable air flow meter – indicates rate of air flow into

vessel –attached to air sparger

8 Pressure valve attached to rotameter for safer operation

9 Air pump supply of air

10 Peristaltic pump to pump in medium, acids, bases, antifoam

4 Vi sinh vật lên men : Gluconobacter oxydans Gluconobacter oxydans : là một loại vi khuẩn Gram âm, hiếu khí bắt buộc thuộc họ

Acetobacteraceae G oxydans Quá trình hô hấp của nó sử dụng Oxy như chất nhận electron cuối cùng Chủng vi khuẩn này phát triển mạnh trong dịch đường như nho chín, táo, hạt điều, mật ong, trái cây, bia, rượu, đất vườn… Đây là chủng vi khuẩn không gây bệnh cho con người và động vật nhưng nó có thể táo, lê hư thối và

chuyển màu Nó có dạng que tròn, 0.5-0.8 X 0.9-4.2 μm, đơn lẻ hoặc bắt cặp, hiếm khi tạo thành chuỗi dài Gluconobacter có đóng góp quan trọng trong việc sản xuất L-sorbose từ sorbitol, D-gluconic acid, 5-keto và 2-ketogluconic acid từ D-glucose

và dihydroxyl acetone từ glycerol trong công nghiệp

sorbose là chất trung gian có ích trong công nghiệp sản xuất acid ascorbic sorbose là sản phẩm của quá trình oxy hóa sorbitol bởi SDH bám trên màng tế bào vikhuẩn

L-21

PHẦN 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BÌNH LÊN MEN.

MÔ HÌNH TỔNG QUÁT CỦA THIẾT BỊ LÊN MEN

22

1 Tính toán các thông số động học của bình lên men.

 Quá trình lên men D-Sorbitol thành L-Sorbose bằng vi khuẩn Gluconobacter suboxydans S-22

 Quá trình được biểu diễn như sau:

23

D-Sorbitol →Glucnobacter suboxydans S− − − 22 L-sorbose + Gluconobacter suboxydans S-22

 Có thể biểu diễn ngắn gọn như sau:

 Khảo sát định tính quá trình lên men trong môi trường không đổi

Giả sử: Tốc độ phát triển của tế bào chỉ phụ thuộc vào cơ chất ban đầu A

(ở đây bỏ qua ảnh hưởng của một số yếu tố như nồng độ khối lượng Oxy hòa tan, nồng độ khối lượng nước tự do trong bình phản ứng…) để đơn giản trong quá trình tính toán

 Phương trình Monod như sau:

C

A M

kC C r

= +

Với CM là nồng độ của A tại đó tế bào sinh ra với tốc độ bằng ½ tốc độ cực đại

24

 Tính toán giá trị k và C M

Theo K.Mihajevic và M.Bosnjak, Defining of the Kinetics of Microbial

Oxidation Process Events with Reference to L-sorbose Formation in a Large Range of Culture Conditions

Hai ông đã làm thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc nồng độ cơ chất ban đầu A với thời gian và thu được kết quả như sau:

Từ biểu thức Monod :

max A

k C k

0, 2989

m m

ax 23,665 7,073 /

M m M

C k

A

C C r

C

=

+  Tính toán thiết bị phản ứng:

Bình phản ứng sử dụng để thu L-sorbose từ D-sorbitol nhờ vi khuẩn

Gluconobacter Suboxydans S-22 sử dụng là bình phản ứng gián đoạn

Áp dụng phương trình vận tốc ta được:

 Tổng thời gian để sản suất L-sorbose là 12.33h+1h=13.33h.

 Với nồng độ D-Sorbitol CAo=200g/L, ta cần 13.33h để lên men tạo thành lượng L-sorbose với độ chuyển hóa là 96% (Độ chuyển hóa này chúng em dựa trên số liệu thực nghiệm thu được của tài liệu, ở đây chúng em chỉ dựa trên đó đễ tính được thời gian cần thiết để đạt được độ chuyển hóa đó)

• Khối lượng D-sorbitol cần cung cấp là:

( ).0,96.180,17

182,17 440.82

14

A m

2 Tính toán thiết kế bình khuấy:

 Thí nghiệm : ta có thí nghiệm với bình có thể tích làm việc là 4,5 dm3, thì hiệu suất cao nhất là với tốc độ khuấy n = 540 vòng/phút

giới hạn μ = 0,001 ÷ 0,00155 Pa⋅S, nhiệt dung C = 4186 J/(kg⋅K), hệ số dẫnnhiệt λ = 0,6 W/ (m⋅K)

 Để tiệt trùng môi trường dinh dưỡng bên trong thiết bị, cần phải tạo ra áp suất làm việc không nhỏ hơn 0,2 MPa Hệ số chứa đầy môi trường dinh dưỡngcủa thiết bị phụ thuộc vào thành phần của môi trường và vào dạng vi sinh vật

dM : đường kính cánh khuấy thí nghiệm

: khối lượng riêng của môi trường

: độ nhớt của dung dịch môi trường

 Ta chọn cánh khuấy mái chèo tua bin 3 cánh

 Trong giới hạn : ρ = 1060 ÷ 1070 kg/ m3; độ nhớt động học - trong giới hạn