Sản xuất lên men của l l lysine như một phụ gia thức ăn gia súc manfred kircher a, , walter pfe erle b

Tính năng mới của sản phẩm này là toàn bộ khái niệm sản xuất, nghĩa là dây chuyền sản xuất, nguyên liệu thô, tất cả các giai đoạn chế biến và các đặc tính sản phẩm đã được điều chỉnh phù

TỔNG QUAN

Một quy trình mới và sáng tạo cho sản xuất công nghệ sinh học của L L-lysine được trình bày, được trình bày ở đây bởi quá trình lên men của thức ăn gia súc BiolysÒ60 Tính năng mới của sản phẩm này là toàn bộ khái niệm sản xuất, nghĩa là dây chuyền sản xuất, nguyên liệu thô, tất cả các giai đoạn chế biến và các đặc tính sản phẩm đã được điều chỉnh phù hợp một cách có hệ thống để tối ưu hóa môi trường tối ưu và để giảm thiểu tài nguyên và lãng phí tối thiểu Quá trình này hoàn toàn giải phóng với sự cần thiết phải thải chất thải và chất thải và giảm tối đa việc xử lý vật liệu độc hại Vì chỉ có một vài giai đoạn quy trình, phương pháp này là kinh tế để sử dụng và giảm chi phí đầu tư Quá trình này cũng dẫn đến một sản phẩm cao cấp, do đó rất hấp dẫn cả về mặt sinh thái và kinh tế Bằng cách tăng giá trị dinh dưỡng của thức ăn gia súc, bản thân sản phẩm này đóng góp đáng kể về mặt chi phí cho thức ăn chăn nuôi bền vững hơn và bằng cách giảm mức phát thải nitơ sẽ tạo ra một hình thức chăn nuôi phù hợp với môi trường hơn Ó 2001 Được xuất bản bởi Elsevier Science Ltd Mọi quyền được bảo lưu

Từ khoá: Corynebacterium glutamicum; Axit amin; Axit amin thiết yếu; L L-lysin; Lên men; Phụ gia thức ăn

1 Giới thiệu

Tầm nhìn nằm phía sau quy trình công nghệ sinh học được trình bày ở đây là việc phát triển một quy trình sản xuất phụ gia thức ăn gia súc - trong trường hợp này là L amino acid L L-lysine, đáp ứng các tiêu chí sau: Dựa trên khái niệm hợp nhất Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững, sản phẩm phải được sản xuất từ nguyên liệu tái tạo bằng một quy trình đơn giản và do đó hiệu quả chi phí mà không tạo ra chất thải hay chất thải Sản phẩm nên cung cấp cho khách hàng cả lợi ích kinh tế và sinh thái

1.1 Các lĩnh vực áp dụng

Trước khi thảo luận về quy trình cụ thể, việc sử dụng

L L-lysine, thị trường thế giới hàng năm khoảng 400.000 tấn, sẽ được trình bày rất kỹ lưỡng Protein là thành phần thiết yếu trong thức ăn chăn nuôi Chúng bao gồm 20 axit amin proteinogenic được giải phóng khi các protein thức ăn được tiêu hóa Từ các khối xây dựng này, động vật tổng hợp các protein điển hình của nó, tức là gia cầm, lợn, cừu, vv , tất cả đều có dải axit amin đặc trưng của loài riêng Nhiều axit amin có thể được tổng hợp bởi chính con vật đó Trong trường hợp của người khác, cái gọi là các axit amin thiết yếu, động vật dựa vào các axit amin được cung cấp bởi thực phẩm Các thức ăn gia súc cũng có những đặc trưng riêng của amino axit phổ biến của chúng, mà di ers từ đó của động vật Thường thấy rằng các axit amin thiết yếu, methionine, lysine và threonine chỉ có trong số lượng hạn chế trong các nguyên liệu thức ăn thô Hình 1

Hình 1 bổ sung amino acid trong nuôi livestosk: cung cấp amino acid và nhu cầu.

Minh hoạ nội dung của methionine, lysine, threonine của thức ăn thô đã chọn Bã đậu nành rất giàu lysine và do đó là nguồn lysine cạnh tranh chính của sản xuất bằng quá trình lên men Trong số các nguyên liệu thức ăn thô không chế biến, đậu Hà Lan giàu tương đối lysine chứa khoảng 1,47% axit amin Nhu cầu axit amin của lợn con cũng được thể hiện và rất phụ thuộc vào độ tuổi Ban đầu, nhu cầu lysine là 1,1% giảm xuống khoảng 0,6% ở giai đoạn cuối của giai đoạn vỗ béo Mặc dù thực tế là một số thức ăn thô sống tương đối giàu lysine, nồng độ lysine trong tổng hỗn hợp thức ăn vẫn còn hạn chế Sự khác biệt giữa việc cung cấp axit amin từ thức ăn và nhu cầu amino acid của động vật có thể dẫn đến vấn đề sau Động vật phải tiếp tục cho ăn đến khi đáp ứng được nhu cầu về axit amin hạn chế đầu tiên Các axit amin hiện nay có trong

dư thừa không thể biến đổi thành protein động vật và các nguồn suât sử dụng thức ăn Những chất dinh dưỡng dư thừa này bị phá vỡ gây ra sự phát thải nitơ cao, không cần thiết, và do đó tốn kém, dẫn đến sự xuống tải của môi trường đến môi trường Vấn đề

do đó có cả hậu quả về môi trường và tài chính Làm thế nào cả hai khía cạnh của vấn

đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng bổ sung axit amin được thể hiện trong hình 2 Thuốc đẻ thể hiện sự gia tăng trọng lượng lợn con theo gram và sự phóng thích nitơ hàng ngày Sử dụng thức ăn gia súc có hàm lượng protein thô 18% ở giai đoạn vỗ béo sớm và 16% trong giai đoạn vỗ béo gia súc, tăng trọng hàng ngày là 670g với lượng phát thải nitơ 4,5 kg mỗi con đã vỗ béo Giảm hàm lượng protein thô xuống 16% và 14% trong giai đoạn vỗ béo sớm và vỗ béo muộn Pha, tương ứng, kết quả trong một giảm đáng kể trong việc giải phóng nitơ nhưng với một signiccant giảm đáng kể tốc độ tăng trưởng Bằng cách bổ sung chế độ ăn uống với HCl 0.2% L-lysine

*, tăng trọng sẽ trở lại mức trước đó và việc giải phóng nitơ tiếp tục giảm vì nhiều axit amin từ thức ăn được chuyển thành protein động vật Chế độ bổ sung amino acid được điều chỉnh cẩn thận cho phép giảm lượng nitơ tiết ra khoảng 60% L L-lysin rõ ràng

có liên quan đến sinh thái đáng kể cho ngành công nghiệp sản xuất thịt

Hình 2 bổ sung amino acid trong nuôi livestosk: giải phóng nitơ.

1.2 Các quy trình

Trên toàn thế giới L L-lysine được sản xuất riêng bằng quá trình lên men (Leuchtenberger, 1996) Quy trình thông thường tạo ra tinh thể L-Lys * HCl với độ tinh khiết

Sung 1 Amino acid bổ sung trong chăn nuôi: cung cấp axit amin và nhu cầu

Sung 2 Amino acid bổ sung trong chăn nuôi: phát hành nitơ

28 M Kircher, W Pfe erle / Chemosphere 43 (2001) 27 ± 31

98% (Hình 3) Kết quả công việc dẫn đến sự tích tụ sinh khối vi sinh, các sản phẩm phụ lên men và dư lượng từ môi trường lên men và từ nước dùng từ các giai đoạn cá nhân Phần phế thải tích lũy và chất thải còn lại không thể sử dụng như chất phụ gia thức ăn chăn nuôi chất lượng thấp phải được xử lý Thật vậy, trong trường hợp sinh khối và eluate từ trao đổi ion, sản phẩm thua lỗ một vài phần trăm có kinh nghiệm Quá trình sản xuất thông thường đòi hỏi việc xử lý các vật liệu độc hại như dung dịch amoniac (rửa chén các cột trao đổi ion) và axit clohiđric (trung hòa của cơ sở Lysyn) tạo ra các chất thải dư thừa có gánh nặng sinh thái cao Mục tiêu phát triển của quá trình sản xuất l L-lysine trình bày ở đây là thiết kế một con đường đơn giản hơn cho sản phẩm của sản phẩm để tránh gánh nặng sinh thái của các phương pháp hiện có Nó

đã được quy định thêm rằng quá trình mới không tạo ra chất thải hoặc dư lượng vật chất chẳng hạn như sinh khối hoặc nước đã sử dụng Khả năng thải nguyên liệu thô và sinh khối không bị chuyển đổi đã được loại bỏ ngay từ đầu và bất kỳ vật liệu nào như vậy vẫn giữ nguyên như là thành phần của sản phẩm Mục tiêu này chỉ có thể được thực hiện theo các điều kiện sau:

1 Mức sinh sản bất hoạt hoặc sinh khối bất hoạt của nó thường được công nhận là an toàn cho người, động vật và môi trường Việc sử dụng sinh khối này không bị hạn chế bởi luật pháp feedstu

2 Tất cả các nguyên liệu thô và các chất xử lý trong quá trình chế biến vẫn còn trong sản phẩm cuối cùng của quy trình an toàn trong điều khoản của luật chăn nuôi

3 Phải có thể hoàn toàn làm hạt nước lên men lên men

4 Sự phù hợp của sản phẩm như một chất bổ sung thức ăn gia súc phải được chứng minh trong các nghiên cứu thức ăn

5 Sản phẩm phải đảm bảo rằng hàm lượng lysine, tính ổn định, thời hạn sử dụng và các đặc tính xử lý làm cho nó

Phù hợp để sử dụng trong sản xuất công nghiệp thức ăn gia súc Để đạt được hàm lượng lysine cao nhất có thể trong sản phẩm cuối khô, nghĩa là trong môi trường lên men hạt, điều quan trọng là giữ cho lượng chất thải dư thừa không thể tránh khỏi ở mức tối thiểu Vì lý do này, thủy phân tinh bột hoặc sucrose được sử dụng làm nguồn cacbon bởi vì các nguồn khác, ví dụ: Mật đường, chứa quá nhiều phân số dư lượng không chuyển hóa Rõ ràng là hàm lượng lysine cao trong sản phẩm khô cuối cùng chỉ

có thể đạt được với một dòng sản phẩm có tính chọn lọc rất cao Khi nuôi cấy chủng, điều quan trọng là toàn bộ quá trình lên men được tối ưu hóa nhằm giảm thiểu sinh khối và hình thành các sản phẩm phụ

Để sản phẩm cuối cùng có đặc tính xử lý tốt, nguyên liệu thô phải có lợi cho việc sản xuất hạt không có bụi và không có hạt Việc sử dụng rượu ngô và việc giảm sử dụng hoặc tránh các chất có vấn đề như mật mía đóng góp tích cực vào các đặc tính của sản phẩm Các muối hấp thụ như clorua được thay thế bằng, ví dụ, các sunfat ít hút ẩm hơn

Quá trình mới, thể hiện trong hình 3, rất đơn giản và chỉ gồm ba bước:

(1) Ban đầu, chu trình sản xuất của Corynebacterium glutamicum được nuôi cấy và lên men thực hiện trong chế độ ăn hàng ngày(xem hình 4) Sử dụng hydrolizat tinh bột hoặc sucrose làm nguồn carbon và sunfat amoni và amoniac làm nguồn nitơ, các tế bào sống tổng hợp L L-lysine tinh khiết enantiomerically (Hình 5) trong một con đường tổng hợp đa giai đoạn (Sonntag et al., 1993) và Tích cực tiết ra (Vrjlic và cộng

sự, 1996) sản phẩm thông qua màng tế bào vào môi trường L L-lysin có mặt trong nước dùng như sunfat hoà tan Các điều kiện vô trùng được áp đặt trong giai đoạn sản xuất này, nghĩa là các vi sinh vật ngoại lai phải được loại trừ (2) Một khi quá trình lên men chính hoàn tất, nước canh sẽ được cô đặc

(3) Cuối cùng, hạt Biolysâ € 60 được tạo thành bằng cách làm khô trong một máy tạo hạt phun Chất thải duy nhất phải được xử lý là nước ngưng tụ (nghĩa là nước từ các giai đoạn (2) và (3) với mức ô nhiễm hữu cơ thấp Quá trình này dựa trên những đổi mới được cấp bằng sáng chế sau: (1) Hạn chế sinh khối và Các sản phẩm phụ (Pfe erle

và cộng sự, 1991) Để bắt buộc chọn lọc tối đa trong dây chuyền sản xuất trong quá trình canh tác, ít nguồn C được sản xuất

Sau giai đoạn tăng trưởng có thể được chuyển hóa Việc điều tiết hoạt động trao đổi chất bằng cách hạn chế cung cấp đường, ngăn ngừa quá trình hình thành sinh khối, carbon dioxide và các sản phẩm phụ Sự hình thành lysine được thải ra từ những nguồn tiết kiệm năng lượng và nguồn C Giảm tối đa sự hình thành sản phẩm trong khi, duy trì độ chọn lọc cao đảm bảo nồng độ lysine cao trong sản phẩm cuối cùng (2) Biolys từ việc nạo vét nước lên men (Binder và cộng sự, 1991) Các loại nước xốt lên

men được sản xuất theo kỹ thuật tiên tiến không thể được phun trực tiếp Các đối tượng của sáng chế này liên quan đến Biolys được tạo ra từ quá trình lên men và làm khô từ nước lên men có thành phần đặc biệt liên quan đến thành phần sản phẩm, các sản phẩm phụ, protein, các đường dư, để tạo thành một bột không ím và không hút

ẩm (3) Hạt granul hóa trực tiếp lên men (Binder và cộng sự, 1994) Theo phương pháp đã biết, các hạt granulat chỉ có thể được tạo ra từ các môi trường lên men với sự trợ giúp của phụ gia Tuy nhiên, bằng cách lựa chọn các nguyên liệu được lựa chọn liên quan đến các quy trình làm việc, và bằng cách sử dụng các quy trình lên men thích hợp và một dòng sản xuất vi khuẩn thích hợp, có thể tạo ra một loại nước có thể được trực tiếp hạt Các đặc tính sau đã được khử trùng cho sản phẩm Biolys®60 từ quá trình mô tả ở trên: hàm lượng bảo đảm> 47,3% lysin base và <5% đối với nước và tro Hơn nữa, các đặc tính cũng liệt kê các thông số quan trọng để xử lý sản phẩm trong việc cho ăn các cơ sở như mật độ lớn và phân bố kích thước hạt Ngoài các thành phần năng lượng và vitamin, axit béo và axit nucleic chứa trong sinh khối, sản phẩm còn chứa các axit amin thiết yếu và có giá trị khác ngoài L L-lysine, đặc biệt

L arginine, L threonine, L methionine, L tryptophan, L cysteine và L L-valine

Bảng 1 So sánh với Lys * HCl trong các thử nghiệm thức ăn Cải thiện hiệu quả bằng cách bổ sung lysine Biolys RA (%) L L-Lys * HCl (%) Lượng thức ăn ăn được +28 +27 Tăng cân +51 +47 Sử dụng thức ăn +14 +12 a Lợn con (8 ± 28 kg) B Ad libitum Bảng 2 Ưu điểm của quá trình Biolys ™ 60 Ưu điểm của quá trình Biolys®60 Chi phí Chất lượng sản phẩm Chi phí sản xuất cao Chi phí đầu tư tốt đòi hỏi phải có các axit amin có giá trị dinh dưỡng cao Không có sự trao đổi ion cực kỳ mạnh, trao đổi ion, trung hòa cho mỗi HCl, xử lý thuận lợi về mặt kỹ thuật Chi phí tiêu thụ thích hợp phù hợp như thức ăn bổ sung Không HCl An toàn lao động Không dung dịch amoniac giảm việc xử lý các chất nguy hiểm Không xử lý các giải pháp HCl và Amoniac có lợi trong chi phí xxing Bảo vệ môi trường ít nhân công, khấu hao, sửa chữa, cung cấp cho đầu tư không xử lý vật liệu dư với gánh nặng sinh thái cao hơn Năng suất cách ly cao hơn Tiết kiệm tài nguyên Không mất sản phẩm có sinh khối và sử dụng Vật liệu sinh học tái tạo an toàn sản phẩm

Một khi vấn đề thuần túy về kỹ thuật sản xuất hạt trực tiếp từ môi trường lên men đã được giải quyết, nó vẫn cho thấy sự phù hợp của Biolys®60 có chứa lysine-sulphate như một phụ gia thức ăn gia súc trong các thử nghiệm cho ăn Lần đầu tiên được chứng minh rằng tính chất sinh học của sulfat lysine không thay đổi so với axit amin

tự do hoặc của Lys * HCl thương mại Lys * sulphate và Lys * HCl tương đương với dinh dưỡng Nó có thể được chỉ ra trong các thử nghiệm với lợn con ± như được chỉ ra trong Bảng 1 và với gia cầm rằng các con vật có sự gia tăng trọng lượng lớn hơn và việc sử dụng thức ăn đã được cải thiện đáng kể Do đó Biolysa60 rất thích hợp làm phụ gia thức ăn gia súc và đã được thị trường đón nhận Chính sách chi tiêu cho việc tạo ra một sản phẩm lên men hoàn toàn phù hợp với yêu cầu bảo vệ môi trường sản

xuất kết hợp đã dẫn đến sự phát triển cả quá trình và sản phẩm có những ưu điểm sinh thái và kinh tế quan trọng (xem Bảng 2 ) 1 Các nhà sản xuất đã có một quy trình hiệu quả về mặt sinh thái và thân thiện với chi phí 2 Các nhà sản xuất thức ăn chăn nuôi được cung cấp một sản phẩm chất lượng cao dễ sử dụng 3 Nông dân chăn nuôi không được cải thiện việc sử dụng thức ăn và giảm lượng Amoniac Lời cảm ơn Một phần đáng kể của chương trình nghiên cứu về sự phát triển của quá trình lên men lysine đã được thực hiện với sự hỗ trợ của Bộ Ed Đức Nghiên cứu khoa học và công nghệ trong các dự án 031956 ÔInvestigations trong sinh lý trao đổi chất và tối ưu hóa

di truyền của các nhà sản xuất axit amin và 0310626 Các phương pháp sinh học mới trong sản xuất các chất có giá trị dinh dưỡng hợp tác với Prof Sahm (FZ J ulich) và Prof P uhler ( Đại học Bielefeld) Bên cạnh các tác giả, quá trình lysine đã được phát triển bởi Giáo sư Leuchtenberger và các đồng nghiệp thuộc phòng nghiên cứu và phát triển sinh học của DegussaH uls AG