THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT GLUTAMATE VỚI CÔNG SUẤT 12000 TẤN MỘT NĂM

Trong công nghiệp hóa chất, L-AG được dùng làm nguyên liệu khởi đầu cho việc tổng hợp một số hóa chất quan trọng dùng trong công nghiệp mỹ phẩm… Trên cơ sở ứng dụng công nghệ sinh học và

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CNSH & KTMT MÔN ĐỒ ÁN KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Đề tài

THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT

GLUTAMATE VỚI CÔNG SUẤT

12000 TẤN/ NĂM

GVHD: TS PHẠM MINH TUẤN SVTH:

1 Phạm Thị Thúy An 2008110015

2 Lê Nguyễn Ngân Đình 2008110004

3 Huỳnh Huy Hoàng 2008110108

4 Lưu Thúy Huê 2008110111

5 Châu Thanh Xuân 2008110368

TP.HCM, tháng 1 năm 2015

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Được sự chấp thuận và tạo điều kiện thuận lợi của khoa Công nghệ sinh học và kĩ thuật môi trường, nhóm chúng em đến nay đã hoàn thành đồ án Kĩ thuật các quá trình

sinh học, với đề tài “Thiết kế quy trình sản xuất Glutamate với công suất 12.000

tấn/năm” Để có được kết quả như hôm nay, chúng em xin chân thành cảm ơn:

Ban giám hiệu nhà trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM, quý Thầy Cô khoa Công nghệ sinh học và Kĩ thuật môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng

em

Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy TS Phạm Minh Tuấn, đã định hướng nghiên cứu, nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Cảm ơn tất cả các bạn 02DHSH đã cùng san sẻ, hỗ trợ, giúp đỡ nhóm trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn gia đình, người thân đã luôn là hậu phương vững chắc, luôn động viên và tạo điều kiện cho chúng em vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập!

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng … năm …

Mục lục

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH ẢNH

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU [3] 2

1.1 Acid glutamic 2

1.2 Chủng vi sinh 2

1.3 Các phương pháp sản xuất acid glutamic 3

1.3.1 Phương pháp tổng hợp hóa học 3

1.3.2 Phương pháp thủy phân protit 3

1.3.3 Phương pháp lên men 3

1.3.4 Phương pháp kết hợp 4

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất 4

1.4.1 Ảnh hưởng của pH 4

1.4.2 Sự cung cấp O2 và khuấy trộn 4

1.4.3 Nhiệt độ 4

1.4.4 Chất kích thích sinh trưởng biotin 4

1.4.5 Sử dụng penicillin 5

1.4.6 Các chất khác 5

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT GLUTAMATE 6

2.1 Nguyên liệu 6

2.2 Phương pháp tiến hành 7

2.3 Quy trình lên men sản xuất axit glutamic 9

2.3.1 Sơ đồ 9

2.3.2 Thuyết minh quy trình 11

2.3.2.1 Nguyên liệu 11

2.3.2.2 Pha loãng, lọc 11

2.3.2.3 Dịch hoá 11

2.3.2.4 Làm nguội 11

2.3.2.5 Đường hoá 12

2.3.2.6 Phối chế dịch lên men 12

2.3.2.7 Thanh trùng và làm nguội 12

2.3.2.8 Giống vi sinh vật 12

2.3.2.9 Lên men 12

2.3.2.10 Tách sinh khối 14

a) Pha chế dịch men 15

b) Xử lý hạt nhựa resin 15

c) Trao đổi ion 15

2.3.2.11 Cô đặc 16

2.3.2.12 Tẩy màu 16

2.3.2.13 Acid hoá và kết tinh 16

2.3.2.14 Ly tâm 16

2.3.2.15 Lọc 17

2.3.2.16 Sấy 17

2.3.2.17 Làm nguội 17

2.3.2.18 Phân loại 17

2.3.2.19 Bao gói 17

2.4 Một số hiện tượng bất thường trong lên men axit glutamic và biện pháp xử lý 17 2.4.1 Thời kỳ tiềm phát kéo dài có hai nguyên nhân chính 17

2.4.2 Quá trình lên men chậm chạp do môi trường chứa nhiều sắt 18

2.4.3 Sử dụng ure không đúng mức 18

2.4.4 Môi trường thiếu biotin 18

2.4.5 pH ban đầu thấp 19

2.4.6 Thiếu oxi hoà tan 19

2.4.7 Nhiều dầu phá bọt 19

2.4.8 Giống chết hoặc kém phát triển 19

2.4.9 Một số tạp khuẩn 20

2.5 Một số biện pháp phòng, chống nhiễm trùng 20

2.5.1 Biện pháp thiết bị 20

2.5.2 Phương pháp công nghệ 20

2.5.3 Sử dụng hoá chất 20

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới tác dụng của hoá chất 21

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 22

3.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy 22

3.2 Cân bằng vật chất 22

3.2.1 Bao gói 22

3.2.2 Phân loại 22

3.2.3 Làm nguội 22

3.2.4 Sấy 22

3.2.5 Lọc rửa 23

3.2.6 Ly tâm 23

3.2.7 Acid hóa và kết tinh 23

3.2.8 Tẩy màu 23

3.2.9 Cô đặc 23

3.2.10 Tách sinh khối 23

3.2.11 Lên men 24

3.2.12 Thanh trùng và làm nguội 24

3.2.13 Pha chế dịch lên men 24

3.2.14 Đường hóa 25

3.2.15 Làm nguội 25

3.2.16 Dịch hóa 25

3.2.17 Lọc 25

3.2.18 Pha loãng 25

CHƯƠNG 4 CÁC THIẾT BỊ DÙNG TRONG SẢN XUẤT GLUTAMATE 26

Thời gian nuôi cấy gián đoạn và nuôi cấy gián đoạn bổ sung cơ chất 26

Tốc độ sử dụng oxy riêng 26

4.1 Cyclon định lượng tinh bột 26

4.2 Thiết bị hòa tan tinh bột 27

4.3 Thiết bị lọc 28

4.4 Thiết bị dịch hóa tinh bột 29

Thiết kế cánh khuấy 30

4.5 Thiết bị làm nguội 30

4.6 Thiết bị đường hóa tinh bột (OO) 31

Thiết kế cánh khuấy 31

4.7 Thiết bị pha chế 32

4 8 Thiết bị thanh trùng và làm nguội 32

4 9 Thiết bị lên men 33

4.9.1 Thiết kế cánh khuấy 34

4.9.2 Tính chiều dày thân 34

4.9.3 Tính chiều dày đáy nắp 36

4.9.4 Chiều dày lớp cách nhiệt 36

4.10 Thiết bị nhân giống 37

4.10.1 Thiết bị nhân giống thạch nghiêng 37

4.10.2 Thiết bị nhân giống cấp 1 37

4.10.3 Thiết bị nhân giống cấp 2 37

4.11 Thùng chứa dịch đã lên men 38

4.12 Thiết bị lọc tách sinh khối 38

4.13 Thùng chứa dịch sau khi lọc 39

4.14 Thiết bị cô đặc 39

4.15 Tẩy màu 40

4.16 Axit hóa, kết tinh 40

Thiết kế cánh khuấy 41

4.17 Thùng chứa dịch sau khi kết tinh 41

4.18 Thiết bị ly tâm 42

4.19 Thiết bị lọc rửa 43

4.20 Thiết bị sấy 43

4.21 Sàng rung phân loại 44

4.22 Thiết bị đóng gói 45

CHƯƠNG 5 CÁC THIẾT BỊ DÙNG TRONG SẢN XUẤT GLUTAMATE 46

5.1 Cyclon định lượng tinh bột 46

5.2 Thiết bị hòa tan tinh bột 46

5.2 Thiết bị lọc 47

5.3 Thiết bị dịch hóa tinh bột 47

5.4 Thiết bị làm nguội 48

5.5 Thiết bị đường hóa tinh bột 48

5.6 Thiết bị pha chế 49

5.7 Thiết bị thanh trùng, làm nguội 49

5.8 Thiết bị lên men 50

5.9 Thùng chứa dịch đã lên men 50

5.10 Thiết bị lọc tách sinh khối 51

5.11 Thùng chưa dịch sau khi lọc 51

5.12 Thiết bị cô đặc 52

5.13 Thiết bị tẩy màu 52

5.14 Thiết bị acid hóa, kết tinh 53

v

5.15 Thùng chứa dịch sau kết tinh 53

5.16 Thiết bị ly tâm 54

5.17 Thiết bị lọc rửa 54

5.18 Thiết bị sấy 55

5.19 Thiết bị sang rung phân loại 55

5.20 Thiết bị đóng gói 56

5.21 Gàu tải 56

5.22 Băng tải 57

5.23 Bơm 57

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN KINH TẾ 58

6.1 Vốn cố định 58

6.1.1 Chi phí nhà đất, xây dựng 58

6.1.2 Chi phí thiết bị 59

6.2 Chi phí sản xuất trực tiếp 61

6.2.1 Chi phí nhân công 61

6.2.2 Chi phí cho 1 mẻ sản xuất (1 ngày) 63

6.2.3 Bảng chi phí nhiên liệu, năng lượng (1 năm) 64

6.3 Chi phí sản xuất gián tiếp 64

6.3.1 Phí bảo trì 64

6.3.2 Phí quảng cáo, chiết khấu 64

6.4 Vốn lưu động 65

6.5 Tổng vốn đầu tư 65

6.6 Giá thành 65

6.7 Thời gian hoàn vốn của dự án 65

6.8 Khấu hao 65

TÍNH TOÁN RỦI RO 66

Tài liệu tham khảo 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Phân loại vi sinh vật tạp nhiễm 7

Bảng 3.1 Tỉ lệ hao hụt của các công đoạn 22

Bảng 3.2 Khối lượng các chất dinh dưỡng bổ sung vào môi trường 24

Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật của thiết bị lọc 29

Bảng 4.2 Đặc tính kỹ thuật của YHC - 5 30

Bảng 4.3 Đặc tính kỹ thuật của thiết bị lên men dạng đứng 33

Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của thiết bị cô đặc 39

Bảng 4.5 Đặc tính kỹ thuật của máy SGZ1250 42

Bảng 4.6 Các thông số kỹ thuật của máy lọc ép Anyang 6LB-350 43

Bảng 4.7 Các đặc tính kỹ thuật của thiết bị sấy băng tải 44

Bảng 4.8 Các thông số kỹ thuật của sàng rung 44

Bảng 4.9 Các thông số kỹ thuật của máy đóng gói 45

Bảng 6.1 Tiền xây dựng các công trình 58

Bảng 6.2 Tiền thiết bị 59

Bảng 6.3 Tiền lương giờ hành chính 61

Bảng 6.4 Lương sản xuất trực tiếp 62

Bảng 6.5 Chi phí cho 1 mẻ sản xuất 63

Bảng 6.5 Chi phí nhiên liệu 64

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Công thức cấu tạo của L-glutamic acid 2

Hình 2 Tinh bột sắn 6

Hình 3 Rỉ đường mía 6

Hình 4 Sơ đồ con đường sinh tổng hợp acid glutamic trong tế bào vi sinh vật 8

Hình 5 Sơ đồ cơ chế hóa sinh của quá trình tạo acid glutamic 8

Hình 6 Sơ đồ quy trình lên men sản xuất axit glutamic 11

Hình 4.1 Cyclon chứa 26

Hình 4.2 Thiết bị chứa tinh bột 27

Hình 4.3 Thiết bị lọc khung bảng 29

Hình 4.4.Thiết bị dịch hóa tinh bột 29

Hình 4.5 Thiết bị trao đổi nhiệt 31

Hình 4.6 Thiết bị thanh trùng bản mỏng 33

Hình 4.7 Thiết bị lên men dạng xylanh 34

Hình 4.8 Thiết bị cô đặc 39

Hình 4.9 Thiết bị tẩy màu 40

Hình 4.10 Thiết bị kết tinh 40

Hình 4.11 Thiết bị ly tâm 42

Hình 4.12 Thiết bị lọc ép 43

Hình 4.13 Thiết bị sấy băng tải 43

Hình 4.14 Sàng rung phân loại 44

Hình 4.15 Sơ đồ máy đóng gói 45

Hình 5.1 Cyclone định lượng tinh bột 46

Hình 5.2 Thiết bị hòa tan TAIZY 46

Hình 5.3 Thiết bị lọc khung bản 47

Hình 5.4.Thiết bị dịch hóa ZJ-77 DF 47

Hình 5.5 Thiết bị làm nguội 48

Hình 5.6 Thiết bị đường hóa ZJ-77 DF 48

Hình 5.7 Thiết bị pha chế JBJ 49

Hình 5.8 Thiết bị thanh trùng làm nguội PUT- 10000 49

Hình 5.9 Thiết bị lên men KUNBO 50

Hình 5.10 Thùng chứa dịch đã lên men FUBANG 50

Hình 5.11 Thiết bị lọc tách sinh khối BLS B K A M Y U B 120/1000 51

Hình 5.12 Thùng chứa dịch sau khi lọc FUBANG 51

Hình 5.13 Thiết bị cô đặc ZN-200 52

Hình 5.14 Thiết bị tẩy màu DL- 998 52

Hình 5.15 Thiết bị kết tinh KY WF- 40 53

Hình 5.16 Thùng chứa dịch sau kết tinh FUBANG 53

Hình 5.17 Thiết bị ly tâm HENGCHAN 54

Hình 5.18 Thiết bị lọc ép Anyang 6LB-350 54

Hình 5.19 Thiết bị sấy CHANGJING 55

Hình 5.20 Thiết bị sàng rung phân loại – XZS 800 55

Hình 5.21 Thiết bị đóng gói JT-520W 56

Hình 5.22 Gào tải CE ISO 56

Hình 5.23 Băng tải B-800 57

Hình 5.24 máy bơm ly tâm XBSY-SB4×8J-12 57

LỜI MỞ ĐẦU

Acid amin là một thành phần rất cần thiết cho cơ thể Thiếu một số acid amin là nguyên nhân gây nên bệnh tật hay suy giảm sức khoẻ Trong đó phải kể đến Acid glutamic là một loại acid amin quan trọng đối với cơ thể, nó là một loại acid amin tham gia vào việc cấu tạo nên protein của cơ thể Trong 20 loại acid amin trong cơ thể thì acid glutamic thuộc loại acid amin thay thế nghĩa là cơ thể có thể tổng hợp được và

về cơ bắp thịt Trong công nghiệp hóa chất, L-AG được dùng làm nguyên liệu khởi đầu cho việc tổng hợp một số hóa chất quan trọng dùng trong công nghiệp mỹ phẩm… Trên cơ sở ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất, quá trình lên men để thu nhận L-AG nhờ vào sự tổng hợp của vi sinh vật không những có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn có ý nghĩa lớn lao về xử lý môi trường vì tận dụng được các phế thải của các ngành công nghiệp khác Vì vậy, với tầm quan trọng của axit glutamic, để đáp ứng nhu

cầu trong nước và tiến tới xuất khẩu nên nhóm chúng em thực hiện đề tài “Thiết kế

nhà máy sản xuất acid glutamic với năng suất 12.000 tấn/năm từ tinh bột ”

Hình 1 Công thức cấu tạo của

L-glutamic acid

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU [3]

1.1 Acid glutamic

Axit glutamic thuộc loại amino acid có nhóm

amin và 2 nhóm cacboxyl Điều chế bằng cách

tổng hợp hoặc lên men gluxit Công thức hóa học

là: C5H9O4N

Acid L-glutamic là những tinh thể không màu,

t0nc = 274 – 2490C, thăng hoa ở 2000

C, điểm đẳng điện pI = 3,22 Ít tan trong nước, etanol,

không tan trong ete, axeton Đóng vai trò quan

trọng trong việc trao đổi đạm và có vị ngọt của

thịt

Chúng có vai trò quan trọng trong việc trao

đổi chất trong cơ thể động vật, cấu tạo nên chất

xám, chất trắng trong não bộ, kích thích các phản

ứng oxi hóa Axit glutamic tham gia quá trình loại

thải ammoniac, chất độc cho hệ thần kinh Trong

y học axit glutamic chữa bệnh thần kinh phân lập,

bệnh chậm phát triển trí não, tim mạch…

Acid glutamic phân bổ rộng rãi trong tự nhiên dưới dạng hợp chất và dưới dạng

tự do Trong sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật, acid glutamic được tổng hợp theo con đường lên men từ nhiều nguồn cacbon

1.2 Chủng vi sinh

Tham gia vào quá trình lên men sản xuất acid glutamic, các chủng vi sinh thường

sử dụng là: Corynebacterium glutanicum, Brevibacterium gactofermentus, Micrococus

glutamicus, nhưng chủ yếu nhất vẫn là chủng Corynebacterium glutamicum (loại vi

khuẩn này đã được nhà vi sinh vật Nhật Bản Kinosita phát hiện từ 1956, có khả năng lên men từ tinh bột, ngô, khoai, khoai mì để tạo ra axit glutamic)

Đặc điểm:

o Có khả năng tạo ra nhiều axit glutamic

o Tốc độ sinh trưởng phát triển nhanh

o Ổn định cao trong thời gian dài

o Chịu được nồng độ axit cao

o Môi trường nuôi cấy đơn giản

o Dễ áp dụng trong thực tế sản xuất

Giống vi khuẩn thuần khiết này được lấy từ ống thạch nghiêng tại các cơ sở giữ giống, sau đó được cấy chuyền, nhân sinh khối trong môi trường lỏng Khối lượng sinh khối được nhân lên đến yêu cầu phù hợp cho quy trình sản xuất đại trà Trước khi nhân, cấy, môi trường lỏng phải được thanh trùng bằng phương pháp Pasteur

Sử dụng chủng đột biến

Đột biến trong gen ltsA của C glutamicum ltsA, gen này gây cảm ứng tới

Lysozyme, nhiệt độ phát triển của VSV này và sản xuất Glutamate Để kiểm tra sự ảnh

hưởng của thể đột biến gen ltsA tới sự sản xuất L - glutamate bởi C glutamicum, chúng tôi kiểm tra sản phẩm L - glutamate của C glutamicum ltsA trong nhiều nhiệt

độ nuôi cấy khác nhau

Chủng hoang dại, ATCC 13032 và KY9611, tạo ra rất ít L - glutamic acid Mặc khác, chủng đột biến ltsA nhạy nhiệt độ như KY9706 và KY9704, KY9714 và KY9611 ltsA::kan, tạo ra một lượng đáng kễ L - glutamate ở nhiệt độ cao hơn KY9706 mang đột biến sai nghĩa vào domain GAT của protein LtsA và cho thấy nhiệt

độ tối ưu để sản xuất glutamate là 350C KY9704 mang đột biến vô nghĩa cho nhiệt độ tối ưu là 37oC có thể so sánh với KY9611 ltsA::kan

KY9713 chịu nhiệt, mang đột biến gây chết không tạo ra được L - glutamate tại tất cả nhiệt độ khảo sát KY9713 có chuổi ltsA bị đứt đoạn cũng không tạo L -glutamate Mặc khác, KY11939 cũng chịu nhiệt tạo ra được L-glutamate trong nhiệt

độ cao hơn và tạo nhiều L - glutamate hơn bởi mang gen tăng cường ltsA::kan  đột biến gây chết ở KY9713 giảm khả năng tạo L-glutamate bởi gen ltsA::kan nhưng KY11939 thì không

1.3 Các phương pháp sản xuất acid glutamic

Hiện nay trên thế giới có 4 phương pháp sản xuất cơ bản:

o Phương pháp tổng hợp hóa học

o Phương pháp thủy phân protit

o Phương pháp lên men

o Phương pháp kết hợp

1.3.1 Phương pháp tổng hợp hóa học

Phương pháp này ứng dụng các phản ứng tổng hợp hóa học để tổng hợp nên các axit glutamic và các aminoaxit khác từ các khí thải của công nghiệp dầu hỏa hay các ngành khác

Ưu điểm: Phương pháp này có thể sử dụng nguồn nguyên liệu không phải thực phẩm để sản xuất ra và tận dụng được các phế liệu của công nghiệp dầu hỏa

1.3.2 Phương pháp thủy phân protit

Phương pháp này sử dụng các tác nhân xúc tác là các hóa chất hoặc fecmen để thủy phân một nguồn nguyên liệu protit nào đó (khô đậu, khô lạc…) ra một hỗn hợp các aminoaxit, từ đó tách các axit glutamic ra và sản xuất mì chính

Nguyên tắc: Sử dụng acid hoặc enzyme để thuỷ phân các nguyên liệu có hàm lượng protein cao, thu được các acid amin trong đó có acid glutamic Sau đó bằng phương pháp hoá lý tách riêng acid glutamic

Ưu điểm: dễ khống chế quy trình sản xuất và áp dụng được vào các cơ sở thủ công, bán cơ giới và cơ giới dễ dàng, ổn định chất lượng sản phẩm từng mẻ

Nhược điểm:

 Cần sử dụng nguyên liệu giàu protit hiếm và đắt

 Cần nhiều hóa chất và các thiết bị chống ăn mòn

 Hiệu suất thấp đưa đến giá thành cao

1.3.3 Phương pháp lên men

Phương pháp này lợi dụng một số vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp ra các axit amin từ các nguồn gluxit và đạm vô cơ

Nguyên tắc: Dùng chủng vi sinh vật có khả năng tổng hợp ra acid glutamic để sản xuất

Sử dụng một số vi sinh vật để lên men như là Micrococcus glutamicus, Brevi

bacterium

Ưu điểm:

 Không sử dụng nguyên liệu protit

 Không cần sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị chịu ăn mòn

 Hiệu suất cao, gía thành hạ

 Tạo ra axit glutamic dạng L, có họat tính sinh học cao

Nhược điểm:

 Quá trình đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao và nghiêm ngặt

 Đảm bảo vô trùng mới tạo sản phẩm

 Khó điều khiển được quá trình

1.3.4 Phương pháp kết hợp

Đây là phương pháp tổng hợp hóa học và vi sinh vật học

Phương pháp vi sinh vật học tổng hợp nên axit amin từ các nguồn đạm vô cơ và gluxit mất nhiều thời gian, do đó người ta lợi dụng các phản ứng tổng hợp tạo ra những chất có cấu tạo gần giống axit amin, từ nay lợi dụng vi sinh vật tiếp tục tạo ra axit amin

Phương pháp này tuy nhanh nhưng yêu cầu kỹ thuật cao, chỉ áp dụng và nghiên cứu chứ ít áp dụng vào công nghiệp sản xuất

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất

1.4.1 Ảnh hưởng của pH

Các chủng sinh vật sinh tổng hợp axit glutamic thích hợp điều kiện pH trung tính hay kiềm yếu pH = 6,7 – 8 Trong quá trình lên men độ pH giảm do sinh ra axit glutamic và các axit vô cơ khác Vì vậy cần bổ sung lượng NH4+ để điều chỉnh Nguồn

Cung cấp oxy và khuấy trộn nhằm hai mục đích:

 Duy trì nồng độ oxy hoà tan ở mức trên giá trị tới hạn

 Khống chế nồng độ CO2 ảnh hưởng rất lớn tới sinh trưởng và tích lũy acid glutamic của vi khuẩn

1.4.3 Nhiệt độ

Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là 26 – 370C Trong thực tế giai đoạn đầu nhiệt độ ở 30 – 320C, giai đoạn cuối là 36 – 370C

1.4.4 Chất kích thích sinh trưởng biotin

Các chủng vi sinh sinh tổng hợp axit glutamic cần biotin cho sự sinh trưởng là tích lũy axit glutamic Biotin còn giúp xác định thành phần và sản phẩm lên men Lượng axit glutamic tạo ra nhiều nhất khi trong môi trường hàm lượng biotin thấp hơn

nhiều lượng biotin so với nhu cầu cần thiết cho sự phát triển tối đa sinh khối vì bản thân của tế bào đã có biotin Biotin không ảnh hưởng đến hoạt lực của enzyme mà tác động đến tính thẩm thấu của tế bào, làm axit glutamic khuếch tán từ bên trong tế bào

ra nhoài môi trường lên men Nồng độ thích hợp cho sinh tổng hợp axit glutamic là 2 –

5 g/l

Trong quá trình lên men nếu thừa biotin thì sẽ không có lợi, tạo ra ít axit glutamic, nếu sục khí kém thì sẽ tạo ra alanin và axit lactic Vì vậy cần bổ sung penicillin để kìm chế sự phát triển của vi khuẩn đồng thời tăng khả năng tổng hợp axit glutamic

Nguồn nitơ

Cung cấp nitơ cho quá trình lên men acid glutamic là rất quan trọng bởi vì nitơ cần cho việc tổng hợp protein tế bào và chiếm tới 9,5% trọng lượng phân tử acid glutamic Người ta thường dùng các loại muối chứa NH4+

như NH4Cl, (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4, NH4OH hay khí NH3 hoặc urê làm nguồn cung cấp cacbon

Nguồn muối vô cơ khác

Các ion vô cơ cần cho sinh trưởng và tích luỹ acid glutamic Sự có mặt của các ion sau đây là cần thiết: K+

, Mg+2, Fe+2, Mn2+, SO4+2, PO4+3 Liều lượng thường được dùng như sau:

Hình 3 Rỉ đường mía

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT GLUTAMATE

2.1 Nguyên liệu

Để lên men sản xuất acid glutamic, người ta dùng nguyên liệu chủ yếu là dịch

có đường như glucoza, sacaroza, hoặc rỉ đường, hoặc các nguồn nguyên liệu tinh bột

đã qua giai đoạn đường hóa Khoai mì là nguyên liệu tinh bột được sử dụng nhiều nhất hiện nay Các nguồn dinh dưỡng bổ sung như muối amôni, photphat, sulfat, biotin, vitamin

B, … Ngoài ra còn một số nguyên liệu khác như: Axit HCl, Na2CO3, than hoạt tính: tạo than từ gỗ, vỏ dừa, bã lạc, bã mía, xương…

Trong thực tế sản xuất, người ta thường dùng rỉ đường làm môi trường lên men thay cho cao bắp Rỉ đường thường pha loãng đến 13 – 14% và thanh trùng trước khi lên men Nếu là nguyên liệu chứa tinh bột, thì tinh bột phải được thủy phân (quá trình dịch hóa và đuờng hóa) nhờ enzym - amylaza rồi sau đó mới bổ sung thêm dinh dưỡng vào môi trường lên men

Tinh bột sắn

Tinh bột sắn được sản xuất trong quá trình

chế biến củ sắn Có hai loại sắn: sắn đắng và sắn

ngọt khác nhau về hàm lượng tinh bột và xyanua

Sắn đắng có nhiều tinh bột hơn nhưng đồng thời

cũng có nhiều axit xyanhydric (HCN), khoảng 200

÷ 300 mg/kg Sắn ngọt được dùng làm lương thực,

thực phẩm

Thành phần hóa học của tinh bột sắn phụ

thuộc vào trình độ kỹ thuật chế biến sắn Trong

Rỉ đường mía là phần còn lại của dung dịch

đường sau khi đã tách phần đường kính kết tinh

Số lượng và chất lượng của rỉ đường phụ thuộc

vào giống mía, điều kiện trồng trọt, hoàn cảnh địa

lý và trình độ kỹ thuật chế biến của nhà máy

gồm có các chất hữu cơ và vô cơ Các chất

hữu cơ chứa nitơ của rỉ đường mía chủ yếu

Hình 2 Tinh bột sắn

là các aminoacid cùng với một lượng rất nhỏ protein và sản phẩm phân giải của nó Hàm lượng nitơ tổng trong rỉ đường mía chiếm 0,4-1,5% Hợp chất phi đường không chứa nitơ bao gồm pectin, araban, galactan hoặc các sản phẩm thủy phân của chúng là arabinoza và galactoza, chất nhầy, chất màu và chất thơm Ngoài ra, trong thành phần

rỉ đường mía còn chứa:

 Muối kali có nhiều trong rỉ đường, tiếp đến là canxi và dư lượng SO2

 Các chất màu của rỉ đường bao gồm các chất caramen, melanoic, melanin, phức phenol-Fe2+

 Thành phần các chất sinh trưởng: chứa nhiều nguyên tố với lượng cực kỳ nhỏ, chỉ có thể tính bằng mg/kg rỉ đường như Fe 115 (mg/kg); Zn 34; Mn 18; Cu 4,9; B 3,0; Co 0,59; Mo 0,2

 Rỉ đường rất giàu các chất sinh trưởng như axit pamotenic, nicotiric, folic, B1, B2 và đặc biệt là biotin

 Vi sinh vật trong rỉ đường: có rất nhiều, đa số chúng từ nguyên liệu, một số nhỏ

từ không khí, H2O và đất vào dịch đường Có thể phân thành 3 loại : vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, trong đó vi khuẩn là nguy hiểm hơn cả vì nó gồm nhiều giống có khả năng sinh bào tử Người ta phân rỉ đường thành 3 loại tùy thuộc theo số lượng vi sinh vật tạp nhiễm

Bảng 1 Phân loại vi sinh vật tạp nhiễm

Loại Số lượng vi sinh vật trong

Lực đệm là loại lực có sức tự ngăn cản sự biến đổi phản ứng của rỉ đường khi

bổ sung kiềm hoặc axit Lực đệm của rỉ đường biểu hiện mạnh nhất ở pH = 3,0 ÷ 5,0; trung bình ở pH = 5,0 ÷ 6,0; rất ít ở pH = 6,0 ÷ 7,07

2.2 Phương pháp tiến hành

 Cơ chế sinh tổng hợp axit glutamic

Đầu tiên, vi khuẩn phân giải đuờng theo con đường EMP, rồi sau đó thông qua acid xitric và axit α –ketoglutaric theo con đường của chu trình Krebs

Sau đó, sản phẩm acid glutamic được hình thành Acid glutamic được tổng hợp thừa trong tế bào và được tiết ra ngoài môi trường nhờ tính thấm của màng tế bào bị thay đổi Tính thấm bị thay đổi vì thiếu biotin, do tác dụng penicilin hay do dẫn xuất

của axit béo

Có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau:

 Cơ chế hóa sinh của quá trình tạo axit glutamic

Phương trình tổng quát:

C6H12O6 + NH3 + 3/2 O2 = C5H9NO4 + CO2 + 3 H2O

Glucoza Axit pyruvic

Axit α – xetoglutavic

Con đường amin hóa – khử Con đường chuyển amin

Axit glutamic

Hình 5 Sơ đồ cơ chế hóa sinh của quá trình tạo acid glutamic

Hình 4 Sơ đồ con đường sinh tổng hợp acid glutamic trong tế bào vi sinh vật

Glutamat dehydrogenaza

Glucoza

Acid xitricAxetyl-coA

Izoxitrat dehydrogenaza

CO2

Con đường amin hóa – khử

Con đường chuyển amin

HOOC-CO-(CH2)2-COOH + R-CH-COOH HOOC-CH-(CH2)2-COOH ׀ ׀

NH2 NH2

+R-CO-COOH

 Cơ chế tổng hợp thừa axit glutamic

Tính thấm của màng tế bào bị thay đổi vì thiếu biotin, do tác dụng của penicillin hay dẫn xuất của chất béo Nếu tính thấm không bị thay đổi thì chỉ diễn ra sự tổng hợp axit gutamic trong tế bào và không có sự tiết axit này ra môi trường Như vậy, axit glutamic nồng độ cao sẽ ức chế phản ứng của glutamate-dehydrogenaza tạo thành axit glutamic Do biến đổi về tính thẩm thấu, tế bào chỉ cho axit glutamic ra ngoài và trong nội bào nồng độ axit amin này thấp nên không có sự ức chế ngược bởi sản phẩm cuối cùng Sự thay đổi tính thấm xuất hiện khi nồng độ biotin tối ưu là 2 – 5g/l Còn nồng

độ bioin tối thích cho sự sinh trưởng của chủng sinh sản ở khoảng 14g/l Cũng có thể tạo ra sự thay đổi này bằng cách bổ sung các chất hoạt động bề mặt như Tween 60-polyoxyetylen- socbitanmonostearat, Tween-40poyoxyetylen-sobitan-monopalmitat như penicillin Các tác nhân bề mặt này được bổ sung vào giữa hay cuối pha sinh trưởng Việc penicillin gây thay đổi tính thấm có ý nghĩa thực tiễn đặc biệt vì nhờ đó

có thể sử dụng các nguyên liệu phức tạp như rỉ đường

Ở đây, nhóm em chọn cách dùng penicillin để đưa acid glutamic ra ngoài, khi bổ sung penicillin vào để thay đổi tính thấm của màng tế bào, thì không cần quá quan tâm đến hàm lượng biotin

2.3 Quy trình lên men sản xuất axit glutamic

2.3.1 Sơ đồ

Lên men

Tách sinh khối

Hình 6 Sơ đồ quy trình lên men sản xuất axit glutamic

2.3.2 Thuyết minh quy trình

2.3.2.1 Nguyên liệu

Nguyên lệu chính để sản xuất acid glutamic là hydrat cacbon, có thể dùng glucoza, fructoza, maltoza, saccaroza, rỉ đường, tinh bột,…Ở Việt Nam và nhiều nước trên thế giới hiện nay sản xuất acid glutamic từ tinh bột là nguồn nguyên liệu chủ yếu Các chất khoáng thường được sử dụng trong quá trình sản xuất bao gồm:

K2HPO4, MnSO4, MgSO4., FeSO4Urê…

Nhóm em sử dụng tinh bột sắn cho sản xuất Glutamate

2.3.2.2 Pha loãng, lọc

Pha loãng nhằm làm trương nở các hạt tinh bột và sau đó tiến hành lọc nhằm loại

bỏ những chất cặn bã trong dịch tinh bột trước khi thủy phân

Sử dụng nước sạch để pha loãng ở nhiệt độ 40-450C

2.3.2.3 Dịch hoá

Mục đích của dịch hóa là chuyển hệ huyền phù các hạt tinh bột thành dạng dung dịch hòa tan chứa các dextrin có chiều dài mạch ngắn hơn

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

Quá trình dịch hóa bằng enzym  - amylaza được tiến hành ở t0 = 90-95, pH= 5,5 

Tên chế phẩm enzym  - amylaza được sử dụng là Termamyl

Dịch sau khi ly tâm

Sản phẩm Sấy

Tẩy màu

Axít hóa và kết tinh

Ly tâm

Lọc rửa

Làm nguội, phân loại

Bao gói

Dịch tinh bột sau khi dịch hóa có nhiệt độ khoảng 90-950 C Do đó, phải làm nguội để nhiệt độ dịch tinh bột giảm xuống khoảng 60-650 C để tiến hành quá trình đường hóa

2.3.2.5 Đường hoá

Mục đích của đường hóa là nhằm chuyển dịch dextrose thành đường glucoza – nguồn dinh dưỡng mà vi sinh vật lên men có thể sử dụng được

Dùng emzym  _amylaza để thực hiện quá trình này

Các thông số kỹ thuật của quá trình đường hóa là: pH = 4,2 – 4,5

Nhiệt độ 60 –65o

C Thời gian 70h

2.3.2.6 Phối chế dịch lên men

Mục đích: Tạo ra môi trường cho VSV sử dụng trong quá trình lên men tạo sinh khối

Tiến hành: Phối trộn giữa dịch thuỷ phân tinh bột và các chất khoáng vào môi trường lên men với các thành phần sau:

Dịch đường hoá, K2HPO4, MgSO4, MnSO4, FeSO4Urê

Điều chỉnh pH đến :6,7 ÷ 6,9

2.3.2.7 Thanh trùng và làm nguội

Mục đích: Nhằm vô trùng môi trường dinh dưỡng trước khi lên men tránh sự xâm nhiễm của vi sinh vật gây hại và sau đó hạ nhiệt độ của môi trường dinh dưỡng xuống nhiệt độ lên men thích hợp với vi sinh vật

Tiến hành: dịch được bơm ngựơc chiều với hơi nước, để tạo ra quá trình trao đổi nhiệt

Thanh trùng ở 110o

C Thời gian: 15 phút

Sau khi thanh trùng dịch phải được hạ nhiệt độ 30 ÷320C để bổ sung giống vi sinh vật vào

Yêu cầu dịch lên men phải vô trùng tuyệt đối

Nhưng chủ yếu nhất vẫn là chủng Corynebacterrium glutamicum, loại vi khuẩn

này có khả năng lên men từ tinh bột, ngô, khoai, khoai mì để tạo acid glutamic

Giống phải có khả năng tạo ra nhiều acid glutamic, tốc độ sinh trưởng phát triển nhanh, có tính ổn định cao trong thời gian dài, chịu được nồng độ acid cao, môi trường nuôi cấy đơn giản, dễ áp dụng trong thực tế sản xuất

Mục đích là tạo ra đủ số lượng giống cần thiết cho quá trình lên men

Quá trình nhân giống được tiến hành qua các bước sau:

Giống gốc Nhân giống PTN Nhân giống cấp I Nhân giống cấp II Nhân giống sản xuất

Hình 11 Thiết bị lên men

40 nhiệt độ lên men 30-37oC Trong quá trình lên men phải khuấy trộn, cung cấp không khí vô trùng liên tục, bổ sung thêm urê để điều chỉnh pH của môi trường lên men tỉ lệ bổ sung: 1,8% Do môi trường lên men tạo nên acid glutamic cùng với thành phần của môi trường có xu hướng làm tăng sức căng bề mặt Vì vậy, trong quá trình lên men tạo thành nhiều bọt ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp nên phải sử dụng chất phá bọt với tỉ lệ: 0,1%

Cần bổ sung lượng đường nồng độ 38–45%

khi oxi hòa tan hoặc pH giảm Trong công đoạn này

xảy ra 3 giai đoạn chính:

Giai đoạn đầu: 8÷12 giờ gọi là giai

đoạn sinh khối Giai đoạn này các chất đường đạm

vô cơ và hữu cơ, các muối khoáng, vitamin và các

chất sinh trưởng có trong môi trường thẩm thấu vào

tế bào vi khuẩn làm cho vi khuẩn lớn lên, đạt kích

thước cực đại và bắt đầu sinh sản, phân chia Quá

trình lặp lại cho đến khi lượng vi khuẩn đạt đến giá

trị cực đại

Những biểu hiện của giai đoạn này là:

- Nhiệt độ tăng vừa phải, càng về cuối giai

đoạn tốc độ tăng nhiệt độ càng nhanh, nếu nhiệt độ

ngoài trời 35 ÷ 360C, không mở nước làm lạnh thì lúc

đầu 1 giờ đến 1 giờ 30 phút môi trường tăng 10C, về

cuối 30 ÷ 40 phút tăng 10C, về mùa đông nhiệt độ tăng chậm hơn

- pH tăng dần từ 6,5 ÷ 6,7 lên 7,5 ÷ 8

- Bọt tạo thành tăng dần (do lượng thải CO2)

- Lượng đường tiêu hao tăng dần, thường 2 ÷ 3 giờ đầu hao rất ít, càng về sau tốc độ hao càng nhanh

- Lượng tế bào vi khuẩn tăng dần từ khoảng 0,13 ÷ 0,14 đến 1 (số đo OD trên máy so mầu)

- Hàm lượng axit glutamic chưa có hoặc rất ít

Giai đoạn giữa: từ giờ thứ 10, 12 đến giờ thứ 24, 26 Giai đoạn này giữ

cho số tế bào không tăng thêm nữa hoặc tăng rất ít Quá trình chủ yếu trong giai đoạn này là: đường và đạm vô cơ thẩm thấu qua màng tế bào vi khuẩn và các quá trình chuyển hóa bởi các men và các phản ứng như trên để tạo ra axit glutamic trong tế bào Lượng axit glutamic tạo thành lại hòa tan vào các môi trường làm cho pH môi trường giảm dần, CO2 bay ra nhiều, bọt tăng ào ạt

Trong giai đoạn này nhiệt độ tăng nhanh nếu không làm lạnh trong 1 giờ có thể tăng 1 ÷ 20C Lượng đường hao nhanh từ 8,9% xuống còn 2,3%, pH giảm xuống còn dưới 7 nên phải tiếp ure để pH tăng lên 8 rồi lại giảm xuống nhanh chóng, axit glutamic tăng nhanh từ 0 đến 30 ÷ 40g/l

Giai đoạn cuối: những giờ còn lại tất cả các biểu hiện đều giảm dần cho

đến khi làm lượng đường chỉ còn ≤ 1% thì lên men kết thúc

Thường thường để đảm bảo quá trình lên men đạt hiệu quả cao phải chú ý khống chế các điều kiện kĩ thuật như:

+ Nhiệt độ: luôn luôn giữ ở 320C

+ Áp suất: 1kg/cm2

+ Lượng không khí: 30 ÷ 40 m3

/l giờ cho 1m3 môi trường

+ Cách khuấy 2 tầng 180 ÷ 200 v/ph

+ Khi pH giảm đến 7 phải bổ sung ure ngay cho pH lên đến 8, thường bổ sung

1 nồi lên men gián đoạn 2 ÷ 3 lần

+ Khi bọt nhiều phải tiếp giống để phá bọt tạo điều kiện cho CO2 thoát ra ngoài

dễ dàng

Các chế độ kiểm tra cần thiết trong giai đoạn này

 Nhiệt độ lượng không khí, áp suất phải kiểm tra thường xuyên, có chiều hướng thay đổi phải điều chỉnh ngay

 pH mỗi giờ kiểm tra một lần

 OD (độ đục trên máy so mầu): thường đo vào giờ thứ 0; 12; 16; 18

 Độ đường: phân tích xác định hàm lượng đường vào các giờ thứ 0; 6; 12; 18; 20;

24 đến khi kết thúc

 Ure bổ sung vào các giờ thứ 0; 6; 12

 Axit glutamic đo vào các giờ thứ 6; 12; 16; 20; 24; 28; 30 và kết thúc quá trình Qua số liệu theo dõi và phân tích, biểu diễn thông thường là hàm lượng đường giảm dần, hàm lượng axit tăng dần Nhưng cá biệt có trường hợp lên men đến nữa chừng thì đường vẫn hao đều nhưng axit glutamic thì không tăng, thậm chí có khi còn giảm.Trong trường hợp đó cần phải xác định nguyên nhân cho chính xác và quyết định

xử lí ngay, nếu để chậm đường sẽ hao hết và số glutamic tạo được trong những giờ trước cũng hao hết

Nguyên nhân thông thường gây ra các hiện tượng đó là dịch thải đã bị nhiễm trùng do không khí, ure hoặc dầu mang vào, loại tạp khuẩn này sống bằng axit glutamic và cùng tồn tại với vi khuẩn lên men tạo axit glutamic, hai loại này không tiêu diệt lẫn nhau Khi quyết định biện pháp xử lý phải căn cứ theo tình hình cụ thể, nếu hàm lượng axit glutamic đã tương đối cao, đường còn rất ít thì kết thúc sớm quá trình lên men Nếu lượng axit glutamic chưa đáng kể mà đường còn cao thì gia nhiệt thanh trùng lại và tiếp giống mới, lên men lại từ đầu

+ Dung dịch axit glutamic: 0,45 ÷ 0,5 kg/m3

+ 3,2<pH<5, nhiệt độ 65 ÷ 700C

+ Tốc độ chảy: 150ml/phút ÷ 300ml/phút

Quá trình tách:

R’SO3NH3RCOOH + NaOH  R’SO3Na + NH2RCOOH + H2O

Điều kiện của quá trình tách:

a) Pha chế dịch men

Dịch men ra có hàm lượng axit glutamic khoảng 40g/l tức là mật độ phân tử tương đối dày đặc nếu cứ để như vậy thì dòng chảy qua khối hạt nhựa, xác suất tiếp xúc giữa các phân tử axit glutamic với hạt nhựa sẽ ít hơn, số đi theo dòng chảy sẽ lớn hơn, gây ra tổn thất lớn Vì thế trước khi trao đổi người ta pha loãng dịch thải lần trước hay bằng nước lạnh theo tỉ lệ sao cho sau khi pha dịch men có hàm lượng axit glutamic khoảng 18 ÷ 20 g/l Mặt khác dịch men khi kết thúc quá trình lên men thường

có pH = 6 ÷ 7, ở pH đó trung tính hoặc gần trung tính Ở điều kiện này một số tác giả cho biết là axit glutamic phần lớn ở dưới dạng không phân cực

bỏ hết lớp nước bẩn ở trên, sau đó tiếp tục cho nước rửa vào rửa xuôi cho đến hết khi

pH = 7 thì thôi và tiến hành tái sinh

 Tái sinh: dùng axit thu hồi cho chảy ngược 15 ÷ 20 phút sau đó mới cho axit mới pha, giữ cho tốc độ vào và ra ngang nhau để cho mặt nước có chiều cao cố định tới khi dịch ra có pH = 2 ÷ 2,5 thì ngưng cho HCl

 Rửa tái sinh: mở van đáy thu hồi lấy axit cho tái sinh lần sau rồi mới dùng nước lạnh rửa xuôi cho tới khi pH = 3 thì ngưng cho nước và có thể tiến hành trao đổi Thời gian kéo dài 40 ÷ 60 phút

c) Trao đổi ion

Sau khi hạt nhựa đã được tái sinh, rửa tái sinh và dùng chân không đóng mở ngắt quãng làm cho hạt nhựa được tơi, xốp để cho ổn định rồi cho dịch men vào trao đổi ngược, lưu tốc vừa phải khống chế trong khoảng 80 phút trao đổi hết một mẻ là vừa

 Rửa trao đổi: sau khi trao đổi hết để cho resin lắng xuống tự nhiên, xả bỏ lớp dịch bẩn ở trên bề mặt, đảo trộn hạt nhựa rồi cho nước sạch vào rửa ngược cho tới khi sạch thì thôi (nước thải thải ra hết)

 Giữ nhiệt: sau khi rửa sạch thì ngừng cho nước lạnh và bắt đầu cho nước nóng vào để gia nhiệt hạt nhựa Nước nóng 600C đã được gia nhiệt chuẩn bị sẵn Nước thải ra lúc nóng gọi là dịch rò có chứa một lượng rất ít axit glutamic nên được thu hồi lại làm nước pha dịch men ở mẻ sau Gia nhiệt cho đến khi nước thải đạt 48% thì thôi và cho NaOH 5% vào để tách

Be, khi kết thúc phần còn lại được thu hồi làm nước chấm

Chuyển axit glutamic từ dạng chất lỏng sang dạng tinh thể thông qua 2 giai đoạn sau:

 Axit hóa axit glutamic

Toàn bộ dung dịch axit glutamic thu được trong khoảng 2 lần đạt ở trên được đưa về thùng kết tinh, cho cánh khuấy hoạt động liên tục để ngăn ngừa axit glutamic kết tinh quá sớm, tinh thể nhỏ, hiệu suất thấp Cho HCl 31% vào tạo điểm đẳng điện đến pH = 2,9 ÷ 3,2 thì thôi và mở nước lạnh

 Làm lạnh kết tinh

Dịch axit glutamic sau khi đã đưa về điểm đẳng điện thì cho nước vào vỏ thùng kết tinh để giảm dần nhiệt độ, trong khi đó cánh khuấy tiếp tục hoạt động làm cho axit glutamic kết tinh to, tơi và xốp Tám giờ sau thì ngừng khuấy, còn nhiệt độ hạ từ từ đến nhiệt độ không khí (nếu có điều kiện thì dùng nước lạnh đưa xuống 120C và giữ ở

đó là tốt nhất) Sau ít nhất 48 giờ thì quá trình làm lạnh kết tinh kết thúc

Ở đây, dung dịch axit glutamic chia làm 2 pha rõ rệt:

Pha rắn: gồm axit glutamic đã kết tinh lắng xuống dưới

Pha lỏng: gồm nước và một ít axit glutammic không kết tinh hòa tan vào, ta gọi

2.3.2.13 Acid hoá và kết tinh

Mục đích: chuyển acid glutamic từ pha lỏng sang pha rắn tinh thể

Acid hóa acid glutamic: Toàn bộ dung dịch acid glutamic thu được trên được đưa về thùng kết tinh Cho cánh khuấy hoạt động liên tục để ngăn ngừa acid glutamic kết tủa quá sớm, kết tinh nhỏ và hiệu quả thấp Cho HCl 31% vào để tạo điểm đẳng điện ở PH

Mục đích tách pha rắn và lỏng:

- Pha rắn: gồm acid glutamic đã kết tinh và lắng xuống, thu được acid glutamic

ẩm

- Pha lỏng: gồm nước và một ít acid glutamic không kết tinh hòa tan vào ta gọi

đó là nước cái Phần nước cái đưa đi kết tinh lại

2.3.2.15 Lọc

Tinh thể sau khi ly tâm còn ẩm và có bám màu nâu nên cần được làm sạch bằng quá trình ép lọc

2.3.2.16 Sấy

Mục đích: Acid glutamic hút ẩm rất nhanh nên sau ly tâm phải sấy ngay

Tiến hành: Acid glutamic ẩm đưa vào thiết bị sấy nhờ cơ cấu rung và chạy trên băng chuyền liên tục, không khí nóng được thổi liên tục vào làm bay hơi ẩm và làm khô acid Nhiệt độ sấy: 70-800C

2.4.1 Thời kỳ tiềm phát kéo dài có hai nguyên nhân chính

2.4.1.1 Giống quá già

Do thời gian nuôi giống cấp hai quá dài, giống đã chuyển sang giai đoạn cân bằng mà không còn ở giai đoạn bình thường cũng làm giống phát triển chậm trong môi trường lên men, cũng có thể do giống đã bị bảo áp lâu trong nhiệt độ thường dưới áp suất cao Thường xảy ra do bố trí sản xuất chưa chặt chẽ, nuôi giống đã đủ thời gian

mà môi trường lên men chưa chuẩn bị xong, nên bắt buộc phải bảo áp giống ở áp suất 2kg/cm2 và nhiệt độ thường Thời gian bảo áp ngắn trong vòng 3 ÷ 4 giờ, thì ảnh hưởng đến thời kì tiềm phát không nhiều.Thời gian bảo áp càng dài thì thời gian để giống làm quen với môi trường lên men càng dài.Giống bị bảo áp lâu không chỉ chậm thích nghi với môi trường mới mà còn uể oải trong hoạt động sống

Muốn khắc phục tình trạng trên điều quan trọng là phải tổ chức sản xuất chặt chẽ, hợp lý hoá các khâu để không bao giờ bị bảo áp giống quá lâu

2.4.1.2 Thanh trùng môi trường không tốt

Thanh trùng môi trường lên men nhằm diệt hết các loại vi sinh vật nhiễm tạp, tạo điều kiện thuận lợi cho giống sinh trưởng và tích luỹ nhiều L-glutamic acid Việc thanh trùng môi trường cần được làm thận trọng, đúng nhiêt độ và thời gian quy định Thanh trùng ở nhiệt độ cao quá, thời gian kéo dài quá mức quy định sẽ làm cho đường

bị caramen hoá, melanoit hoá, một số axitamin bị phân huỷ, một số chất sinh trưởng bị

mất mát…dẫn đến giảm chất lượng môi trường kéo dài thời kỳ tiềm phát của giống, giảm hiệu suất chuyển hoá đường ra L-glutamic acid ở giai đoạn sau

Muốn khắc phục tình trạng này, trước khi thanh trùng môi trường lên men, người thao tác cần phải kiểm tra kỹ khả năng làm việc của van hơi (vào ruột và vào vỏ nồi lên men) Nếu các van này không tốt sẽ làm cho áp lực và nhiệt độ thanh trùng tăng lên rất nhanh quá mức quy định, làm cháy môi trường Sau khi thanh trùng đúng nhiệt độ và thời gian quy định, cần phải làm nguội môi trường càng nhanh càng tốt.Làm nguội môi trường quá chậm cũng sẽ dẫn tới giảm chất lượng môi trường

2.4.2 Quá trình lên men chậm chạp do môi trường chứa nhiều sắt

Với nồng độ nhất định trong môi trường lên men, ion sắt có tác dụng kích thích

vi khuẩn tạo L-glutamic acid phát triển Song khi có mặt ion quá nồng độ quy định thì ảnh hưởng của Fe2+ đến việc tích luỹ axit glutamic rất đáng kể, mặc dù Fe2+

không kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn

Nguyên nhân chính của việc tăng nồng độ sắt trong môi trường lên men là do đường thuỷ phân đưa vào Đường được sản xuất bằng các dung dịch axit vô cơ (HCl,

H2SO4) để thuỷ giải tinh bột trong các thiết bị tráng men hay dán lót cao su và được bọc bằng máy ép lọc khung bản Khi nồng độ sắt trong dịch đường tăng thì chỉ có thể

là các thiết bị lên men đã bị axit ăn mòn do lớp men hay lớp cao su đã bong, tróc, máy

2.4.3.1 Dư ure ban đầu

Nói chung lượng ure ban đầu cao hơn 1.8% thì dịch men có pH>8, đường hao chậm

Khắc phục: giảm lực thông gió ban đầu để hạn chế phân huỷ ure ban đầu, giữ pH<8, thường giảm lượng gió bằng 1/2 lượng gió bình thườn

2.4.3.2 Thiếu ure ban đầu

Biểu hiện của thiếu ure ban đầu là pH dịch lên men không tăng hoặc tăng chậm rồi giảm rất nhanh, OD tăng chậm, thời kỳ tiềm phát kéo dài

Biện pháp: theo dõi sát sao diễn biến lên men các giờ đầu, bổ sung sớm ure lần một Tốt nhất là ngay từ trước khi cho ure ban đầu vào môi trường, cần phân tích chính xác nồng độ dịch ure đã pha và kiểm tra kỹ các van của nồi ure để tránh rò chảy ure

2.4.4 Môi trường thiếu biotin

Các chủng vi khẩn sinh tổng hợp L-axit glutamic rất cần biotin để sinh trưởng

và tích luỹ L-glutamic acid Ta thường dung rỉ đường mía làm nguồn cung cấp biotin với tỷ lệ 0,25 ÷ 0,5% (tuỳ độ loãng của rỉ đường) so với khối lượng môi trường lên men, giống vẫn phát triển nhưng rất chậm, chỉ đạt trị số cực đại OD <0,55 trong khoảng 20 giờ Sở dĩ giống còn phát triển được là trong tế bào đã có sẵn biotin, khi sang môi trường lên men, giống tiếp tục phát triển theo sự kích thích của biotin nội bào

và của vitamin B1 đã đưa vào môi trường lên men Biểu hiện khác nhau của sự thiếu biotin là pH dịch men cứ tiếp tục tăng mãi theo các giờ lên men, đường hao rất chậm

Khắc phục tình trạng này, phải kiểm tra chặt chẽ khi pha vào môi trường, có sổ ghi rõ và đánh dấu từng loại hoá chất đã pha để tránh quên rỉ đường

Nếu sớm phát hiện quên rỉ đường, có thể khắc phục bằng cách pha loãng rỉ đường với nước, thanh trùng và tiếp vào môi trường lên men càng sớm càng tốt

2.4.5 pH ban đầu thấp

Theo quy định thì nên pha môi trường có pH= 6,5 ÷ 6,7 (để sau khi thanh trùng,

pH có giảm xuống chút ít và sau khi tiếp ure, pH sẽ tăng dần tới trị số tối ưu 7,3 ÷ 7,5) Trong thực tế sản xuất hiện nay ta phải dùng các loại giấy thử pH có sai số khá lớn với máy đo pH, dẫn tới tình trạng là sau khi đo và cùng giấy pH, ta yên trí là đã đạt yêu cầu mà thực tế lại quá thấp (<6) Mặt khác ta thường dùng lượng dịch đường khá lớn

để pha dịch men, dịch đường sau khi lọc có pH = 4,5 ÷ 5 nhưng lại quên điều chỉnh pH môi trường sau khi pha làm pH rất thấp (<6)

Biện pháp: phải dùng loại giấy thử pH đã được hiệu chỉnh trị số máy đo pH, sau

đó phải kiểm tra chặt chẽ việc điều chỉnh pH môi trường trước khi bơm vào nồi lên men Nếu sau khi thanh trùng, môi trường lên men vẫn có pH<6 thì phải lập tức pha loãng natrihydroxit, thanh trùng và bơm vào nồi lên men để điều chỉnh pH

2.4.6 Thiếu oxi hoà tan

Vi khuẩn sinh L-glutamic acid là loại rất cần oxi hoà tan trong môi trường để sinh trưởng và tích luỹ L-glutamic acid Yếu tố làm giảm oxi hoà tan vào môi trường

là tốc độ cánh khuấy Nếu môi trường thiếu oxi hoà tan: tốc độ phát triển sinh khối của giống vẫn tăng bình thường, tốc độ hao đường vẫn tăng bình thường ở các giờ đầu, gần về cuối có giảm chút ít Thiếu oxi hoà tan biến đổi pH dịch men cũng vẫn diễn ra bình thường nên thời điểm bổ sung ure lần một và lần hai vẫn tương tự như khi khuấy trộn bình thường, nhưng có nét đặt biệt là, sau khi bổ sung ure lẫn hai ở các đợt bình thường thì pH tăng lên >7,5 và giảm xuống từ từ nhưng không bao giờ xuống thấp dưới 6,4 Ngược lại, thiếu oxi hoà tan thì sau khi bổ sung lần hai pH chỉ tăng ít mà lại giảm mạnh xuống dưới 6 ở giờ kết thúc

Những hiện tượng bất thường do thiếu oxi hoà tan chỉ thể hiện rõ rệt ở các giờ gần về cuối quá trình lên men Muốn khắc phục tình trạng thiếu oxi hoà tan thì chủ động nhất và có hiệu quả nhất là phải thường xuyên theodõi tốc độ cánh khuấy và có biện pháp khôi phục tốc độ khuấy trở lại bình thường

2.4.7 Nhiều dầu phá bọt

Dùng lượng dầu quá lớn và thời điểm cho dầu không đúng lúc ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vi khuẩn và sinh tổng hợp L-glutamic acid

2.4.8 Giống chết hoặc kém phát triển

Do sơ ý để giống cấp hai bị tác dụng của nhiệt làm cho giống bị chết hoặc yếu, nhưng sau khi đã tiếp vào môi trường lên men mới phát hiện ra

Biện pháp: tốt nhất là nếu có sẵn nồi giống cấp hai thì tiếp ngay vào nồi lên men rồi cho chạy như thường

Tạp trùng trong lên men axit glutamic và biện pháp phòng chống

2.4.9 Một số tạp khuẩn

2.4.9.1 Vi khuẩn sinh bào tử

Baccillus subtilis, Baccillus mycoidis, clostridium butirium và clostridium putrium là những loại vi khuẩn sinh bào tử rất nguy hiểm cho quá trình lên men L-glutamic acid

2.4.9.2 Thực khuẩn thể (Bacterophage hay phage)

Thực khuẩn thể là siêu vi trùng ki sinh trong tế bào vi khuẩn Có hai loại thực khuẩn thể: ôn hoà và ác tính

Một số đặc điểm của thực khuẩn thể

Gây nhiễm ngay sau khi tiếp giống thì vi khuẩn không phát triển được, ở đây OD không tăng tế bào vi khuẩn nhỏ vụn, xếp chuỗi

Gây nhiễm sau khi tiếp giống 5 giờ, vi khuẩn vẫn tiếp tục phát triển bình thường, giữ nguyên hình thái đặc trưng, đường hao, pH giảm tương tự như mẫu đối chứng (không bị lây nhiễm) Vi khuẩn chứa thực khuẩn thể trong mình (vi khuẩn sinh tan) không thể sinh sản khi chuyển tiếp sang môi trường mới

Cấy các dịch giống bị gây nhiễm từ giờ thứ 5 sau khi tiếp giống lên các đĩa thạch, để 24 giờ trong tủ ấm, thấy mỗi loại thực khuẩn thể cho đặc điểm đặc trưng:

vi khuẩn không mọc hay mọc yếu khi gây ô nhiễm nhưng trên đường cấy có nhiều plâycơ Số lượng plâycơ tăng tỷ lệ thuận với thời gian tiếp xúc giữa vi khuẩn và thực khuẩn thể

đã qua tác dụng nhiệt dưới áp suất trong môi trường axit, nên ít tạp trùng, thanh trùng

ở điều kiện vừa phải, nhiệt độ thấp.Thời gian ngắn và pH trung tính

Về mặt giống vi sinh vật, nên có hai, ba giống khác nhau để luân canh Điều này có gây khó khăn cho sản xuất, đòi hỏi người sử dụng phải thuần thục, hiểu rõ từng đặc điểm và tính cách của mỗi loại giống có lợi và đề phòng được tính đột biến chuỗi của thực khuẩn thể nảy sinh khi chuyên dùng một giống trong suốt thời gian dài

Tóm lại, trong lên men L-glutamic acid thường gặp các loại tạp chủng như vi khuẩn sinh bào tử và thực khuẩn thể, chúng gây tác hại to lớn cho sản xuất Muốn phòng chống chúng cần chọn địa điểm xây dựng xí nghiệp thích hợp, thiết kế chế tạo

lắp ráp thiết bị đúng yêu cầu kỹ thuật, quan tâm đầy đủ đến hệ thống lọc khí, luân canh giống, lên men gián đoạn và đưa hoá chất sát trùng với nồng độ thích hợp vào môi trường Các hoá chất được tuyển chọn hiện nay là: tetraxyclin, cloramphenicol, axit xitric, axit phytic, natri hay tetrapoliphotphat, tw60 (polyoxyetylen glycol monostearat), PEG-Mo(polyoxyetylen glycol monooleat) và POE-SE (polyoxyetylen stearyl eter)

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới tác dụng của hoá chất

Nồng độ

Theo các tài liệu cho biết thì điều kiện nhiệt độ, pH, thành phần dinh dưỡng tối

ưu cho vi khuẩn sinh trưởng cũng đồng thời là điều kiện tối ưu cho sự phát triển của thực khuẩn thể của chúng Bởi thế, trong khi sử dụng hóa chất phòng ngừa thực khuẩn thể ta không thể thay đổi các điều kiện đó mà chỉ thay đổi nồng độ đem dùng và thời điểm hóa chất sao cho chất đó phát huy hiệu lực cao nhất

Thời điểm bổ sung hoá chất

Bổ sung hóa chất đúng lúc có ý nghĩa vô cùng quan trọng, quyết định tính hiệu lực của hóa chất đem dùng

Ví dụ: cho thêm tetracylin vào hỗn hợp vi khuẩn thực khuẩn thể ngay từ đầu hay chậm lắm là 90 phút sau khi xảy ra sự hấp thụ thì tetracylin sẽ ức chế rất mạnh sự phát triển của thực khuẩn thể Brevibacterium lactofermen No 2256 do đó ức chế tổng hợp protein và AND ở vi khuẩn nhiễm Thêm sau giờ đó thì chất này không có tác dụng

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy

Một năm 365 ngày, nghỉ 10 ngày để bảo trì sữa chữa thiết bị

Nhà máy làm việc ngày 3 ca, 1 ca làm 8 giờ

Số ngày hoạt động là 365 – 10 = 355 ngày

Số ca hoạt động 355 x 3 = 1065 ca/năm

Nhà máy sản xuất acid glutamic với năng suất 12000 tấn sp/ năm như vậy:

Năng suất mỗi ngày của nhà máy là: 12000 : 355 = 33,8 (tấn/ngày)

12000 : 1065 = 11,27 (tấn/ca)

Giả thiết tổn hao từng công đoạn so với trước đó

Bảng 3.1 Tỉ lệ hao hụt của các công đoạn

3.2.1 Bao gói Tỉ lệ hao hụt: 0,5%

Lượng acid glutamic trước công đoạn này là:

327,115,0100

100



3.2.2 Phân loại Tỉ lệ hao hụt: 0,5%

Lượng acid glutamic trước khi phân loại:

384,115,0100

100327

100384

Độ ẩm thành phẩm là 0,5%

Khối lượng acid glutamic ẩm trước khi sấy là:

914,113100

5,01001100

100499

Hiệu suất của quá trình lọc là 80%

Khối lượng acid glutamic trước khi lọc là:

770,1580

1007100

31005,1100

100914

Trước khi lọc độ ẩm 7%, tức độ ẩm sau li tâm là 7%

Giả sử : Độ ẩm acid glutamic trước li tâm 11%

Hiệu suất của quá trình li tâm là 85%

Lượng acid glutamic trước khi li tâm:

15,770

11100

7100





×

8,1100

100

 85

100

 = 19,742 (tấn/ca)

3.2.7 Acid hóa và kết tinh Tỉ lệ hao hụt: 2%

Độ ẩm trước li tâm 11%, tức độ ẩm sau kết tinh là 11%

Nồng độ acid glutamic trước kết tinh 30% Tức là độ ẩm trước khi kết tinh là 70%

Giả sử: Hiệu suất của quá trình Acid hóa và kết tinh là 80%

Lượng acid glutamic trước khi kết tinh

19,742 ×

70100

11100







2100

100

100

 = 74,704 (tấn/ca)

3.2.8 Tẩy màu Tỉ lệ hao hụt: 1%

Giả sử: Nồng độ acid glutamic không đổi trước và sau khi tẩy màu

Khối lượng dung dịch acid glutamic trước khi tẩy màu là:





1100

Giả sử: Hiệu suất của quá trình Acid hóa và kết tinh là 80%

Khối lượng dịch trước quá trình cô đặc:

75,458 x

2 100

100

85100

75100

80

100 = 160,412 (tấn/ca)

3.2.10 Tách sinh khối Tỉ lệ hao hụt 3%

Giả sử: Hiệu suất của quá trình là 80%

Lượng dung dịch acid glutamic trước quá trình lọc trong

160,412

80

1003100

100 



 = 206,716 (tấn/ca)

3.2.11 Lên men Tỉ lệ hao hụt: 2%

Giả sử: Hiệu suất của quá trình lên men là 80%

Giống có khối lượng riêng là 1,070 (tấn/m3) Khi đó khối lượng giống cho vào là:

mgiống II = 2,441 ×1,070 = 2,612 (tấn/ca) Lượng giống cấp I bằng 10% lượng giống cấp II:

Vgiống I = 2,612 x 10% = 0,261 (m3/ca)

mgiống I = 1,070 x 0,261 = 0,279 (tấn/ca) Lượng giống thạch nghiêng bằng 10% lượng giống cấp I:

Vống thạch= 0,261 x 10% = 0,0261 (m3/ca)

mống thạch = 0,0261 x 1,070 = 0,028 (tấn/ca) Trong quá trình lên men có bổ sung dầu lạc 0,1% để phá bọt, ure 1,8%

mdầu lạc 0,1% = 263,668 x 0,1% = 0,264 (tấn/ca)

mure 1,8% = 263,668 x 1,8% = 4,746 (tấn/ca) Khối lượng môi trường đem đi lên men là:

263,668 - (2,612 + 0,264 + 4,746) = 256,046 (tấn/ca)

3.2.12 Thanh trùng và làm nguội Tỉ lệ hao hụt: 1%

Lượng dung dịch acid glutamic trước khi thanh trùng và làm nguội:





1100

100

258,632 (tấn/ca)

3.2.13 Pha chế dịch lên men Tỉ lệ hao hụt: 1%

2C6H12O6 + CH4N2O + 3O2  2C5H9NO4 + 3CO2 + 5H2O Khối lượng môi trường trước khi phối chế dịch lên men là:

1100

100632

,258



 = 261,244 (tấn/ca)

Bảng 3.2 Khối lượng các chất dinh dưỡng bổ sung vào môi trường

trong quá trình pha chế

mMgSO4 0,075% =  

100

075,0261,244 0,196 (tấn/ca)

mMnSO4 2% = 261,244

100

0025,0

 = 0,006 (tấn/ca)

mure 2,2% = 261,244

100

2 , 2

 = 5,747 (tấn/ca)

mK2HPO4 0,15% = 261,244  

100

1,0 0,261 (tấn/ca)

mFeSO4 0,005% = 261,244  

100

005,0

0,013 (tấn/ca)

Khối lượng dịch đường trước khi phối chế là:

261,244 - (0,392 + 0,196 + 0,006 + 5,747 + 0,261 + 0,013) = 254,629 (tấn/ca)

3.2.14 Đường hóa Tỉ lệ hao hụt: 1,5%

Giả sử : Hiệu suất của quá trình đường hóa là 85%

100

304,125 (tấn/ca)

3.2.15 Làm nguội Tỉ lệ hao hụt: 1%

(C6H10O5)n + nH2O  nC6H12O6Lượng dịch tinh bột trước khi làm nguội là:

100162

180

125,304

100

443,004 (tấn/ca)

3.2.18 Pha loãng Tỷ lệ hao hụt là: 0,5%

Lượng dịch tinh bột trước khi pha loãng là:

 = 178,092 (tấn/ca) = 22261,5 (kg/h).

CHƯƠNG 4 CÁC THIẾT BỊ DÙNG TRONG SẢN XUẤT GLUTAMATE Thời gian nuôi cấy gián đoạn và nuôi cấy gián đoạn bổ sung cơ chất

( )

Thời gian để vi sinh vật tiêu thụ hết 70% lượng

cơ chất (30% cơ chất còn lại sẽ được bổ sung theo

Fed-batch), thời điểm bổ sung cơ chất lần tiếp theo là

lúc cơ chất còn 5% (thời gian lên men giai đoạn gián

5%*70%*22261,5= 70%*22261,5 - ( 1)

4,0

625,

325 0 , 45 *t 

e

Hình 4.1 Cyclon chứa

d D

H

h

h o

 t= 6,565 (giờ) Trong đó chọn: Y XS 0,4

45,0

max 



Giả sử khối lượng riêng của tinh bột sắn d = 1570 (kg/m3)

Khối lượng tinh bột cho 24h: 22261,5 x 24 = 534276 (kg/ ngày)

Thể tích của nguyên liệu tinh bột là

926 , 9





 = 1,259 (m)

Hthiết bị = H + h + h0 = 1,259+ 1,2 + 0,3 = 2,759 (m)

Chọn số thùng chứa tinh bột là n=1 cho 1 giờ sản xuất

Chọn cyclon định lượng có kích thước như sau: Chiều cao: Hthiết bị = 2,759 (m);

Dthiết bị = 3 (m); dống tháo = 0,6 (m)

Chọn 1 thiết bị chứa tinh bột

4.2 Thiết bị hòa tan tinh bột

Chọn thiết bị hòa tan tinh bột được chế tạo bằng thép không gỉ, thân hình trụ, đáy

2 2

4,04

6,1

D D

H D H r

Thể tích chỏm cầu:

Hình 4.2 Thiết bị chứa tinh bột

284,1

24

36

)4

3(6

3

2 3

2 2

D V

hD h

D h

h V

425,0144

284,124

Năng suất hòa tan tinh bột theo giờ là: 55653,75 (kg/h)

Giả sử khối lượng riêng tinh bột sắn hòa tan là: 1570 (kg/m3)

Thể tích của nguyên liệu Vnl= 24,814( / )

1570

%7075,

h m

814 , 24

017 , 31

Vậy chọn thùng hòa tan có kích thước: D = 2,853 (m), H0 =4,564 (m)

Số thiết bị hòa tan tinh bột: chọn 1 thiết bị hòa tan và 1 thiết bị trữ

Năng suất lọc theo giờ là 55375,5 (kg/h)

Khối lượng riêng tinh bột sắn hòa tan là: 1570 (kg/m3)

Thể tích của nguyên liệu Vnl= 24,690( / )

1570

%705,

h m