CNCB tinh sạch lactase từ canh trường nấm sợi

Hình 1– Cân bằng vật chất trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Canh trường sau lên men canh trường rắn của nấm sợi Aspergillus niger chứa:  Sản phẩm trao đổi chất ngoại bào g

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Báo cáo môn Công nghệ lên men thực phẩm

Lớp : HC07TP2

Nhóm: 01-B

Tháng 05 năm 2010

MỤC LỤC Trang

1 SƠ LƯỢC VỀ ENZYME LACTASE VÀ THU NHẬN ENZYME LACTASE TỪ

CANH TRƯỜNG NẤM SỢI 6

2 NGUYÊN LIỆU 8

2.1 Nguyên liệu chính 8

2.2 Nguyên liệu phụ 8

3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 9

3.1 Sơ đồ khối 9

3.2 Sơ đồ thiết bi 10

4 GIẢI THÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 12

4.1 Nghiền 12

4.2 Trích ly 14

4.3 Ly tâm 17

4.4 Siêu loc 21

4.5 Làm lạnh 25

4.6 Tủa enzyme 27

4.7 Ly tâm lạnh 30

4.8 Hòa tan tủa 31

4.9 Sắc ký trao đổi ion 32

4.10 Lọc nano 37

4.11 Sấy thăng hoa 39

4.12 Phối trộn 44

4.13 Đóng gói 45

5 SẢN PHẨM ENZYME LACTASE TỪ CANH TRƯỜNG NẤM SỢI 46

5.1 Đặc điểm sản phẩm 46

5.2 Yêu cầu về chất lượng sản phẩm 47

6 THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ 48

6.1 Cải tiến giống 48

6.2 Hoàn thiện phương pháp thu nhận, tinh sạch trong quy mô công nghiệp 48

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1 Các loại màng membrane thường dùng trong siêu lọc ……….… 21

Bảng 2 Các thông số hoạt động của màng ……….……… 21

Bảng 3 Lượng muối hạt (NH 4 ) 2 SO 4 thêm vào để đạt nồng độ bão hòa cần thiết cho 1lít dung dịch ở 0 o C ……….………

……… 28

Bảng 4 Tiêu chuẩn vật lý và hóa học của chế phẩm enzyme ……… 46

Bảng 5 Chỉ tiêu vi sinh của chế phẩm enzyme ……….……… 46

Trang

Hình 1 Cân bằng vật chất trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật ……… 7

Hình 2 Sơ đồ khối quy trình tinh sạch enzyme lactase từ canh trường nấm sợi Aspergillus niger ………

……… 8

Hình 3 Sơ đồ thiết bị quy trình tinh sạch enzyme lactase từ canh trường nấm sợi Aspergillus niger ………

……… 9

Hình 4 Nguyên lý hoạt động máy nghiền trục ……… 12

Hình 5 Thiết bị nghiền trục ……… 13

Hình 6 Thiết bị trích ly kiểu vít tải ……… 15

Hình 7 Thiết bị ly tâm liên tục dạng đĩa ……… 19

Hình 8 Thiết bị phân riêng bằng membrane: mô hình ống ……… 23

Hình 9 Thiết bị siêu lọc ……… 24

Hình 10 Nguyên lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống ……… 26

Hình 11 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống ……… 26

Hình 12 Sự phụ thuộc của điện tích protein vào pH của dung dịch ……… 33

Hình 13 Thiết bị trao đổi ion ……… 35

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trao đổi ion ……… 36

Hình 15 Thiết bị lọc nano ……… 37

Hình 16 Các phương pháp gia nhiệt nguyên liệu trong buồng sấy thăng hoa ………… 40

Hình 17 Sơ đồ nguyên lý thiết thiết bị sấy thăng hoa hoạt động tuần hoàn ………… 41

Hình 18 Thiết bị sấy thăng hoa ……… 42

Hình 19 Thiết bị trộn ……… 44

Hình 20 Sản phẩm chế phẩm enzyme lactase ……… 45

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc sản xuất chế phẩm enzyme các loại đã và đang phát triển mạnh mẽ trên qui mô công nghiệp Thực tế đa có hàng nghìn chế phẩm enzyme bán trên thị trường thế giới, các chế phẩm này đa 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… "ý nghĩa của việc sử dụng enzyme trong các lãnh vực thực tế không kém so với ý nghĩa của việc sử dụng năng lượng nguyên tử"

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, cellulase, ligase, amylase,… và một số enzym đặc biêt khác đã thu được rất nhiều lợi nhuận từ ngành này.Công nghệ enzyme được bắt đầu từ giai đoạn sản xuất chế phẩm thô kết thúc ở giai đoạn tạo thành chế phẩm tinh khiết.Bắt đầu từ chế phẩm enzyme thô, người ta tiến hành tinh sạch enzyme bằng nhiều kỹ thuật khác nhau Khối lượng chế phẩm enzyme sẽ được giảm dần qua từng bước tinh sạch Chế phẩm enzyme thô thường chứa những thành phần cơ bản sau:

+Nước chiếm khối lượng lớn nhất +Protein không có hoạt tính sinh học +Các tạp chất từ môi trường nuôi cấy +Enzyme

Như vậy quá trình tinh sạch enzyme là quá trình loại bỏ ba phần đầu,chỉ thu nhận sản phẩm cuối cùng là enzyme Việc loại ba thành phần đầu không thể thực hiện trong một giai đoạn

mà phải thực hiện qua nhiều giai đoạn khác nhau, ở mỗi giai đoạn, ta sẽ loại bỏ được một phần không phải là enzyme ra khỏi hỗn hợp Khi các thành phần khác không phải là enzyme được loại dần ra, khối lượng chế phẩm sẽ giảm theo

Nếu enzyme được tinh sạch theo những bước kỹ thuật khác nhau sẽ thu nhận những giá trị quan trọng sau:

-Giảm được khối lượng Trị số này có ý nghĩa cho việc đóng gói bao bì, vận chuyển, sử dụng, bảo quản

-Tăng được hoạt tính enzyme có ý nghĩa rất lớn trong quá trình sử dụng sau này

-Tăng giá trị kinh tế thông qua giá thành sản phẩm

Trong đề tài này, ta đi vào tìm hiểu quy trình tinh sạch enzyme lactase từ canh trường

nấm sợi Asperillus niger (canh trường rắn)

1.1 Sơ lược về enzyme lactase

Lactase (LCT), là một enzyme thuộc nhóm β-galactosidase, là một hydrolase glycoside tham gia vào các thủy phân của disaccharide lactose thành galactose và glucose Lactase là một enzyme cần thiết cho tiêu hóa ( thủy phân ) đường lactose trong sữa Thiếu enzyme lactase sẽ dẫn đến hiện tượng cơ thể không dung nạp được lactose

Lactase thương mại được sản xuất có thể được chiết xuất từ nấm men như Kluyveromyces

fragilis và Kluyveromyces lactis và từ nấm sợi, chẳng hạn như Aspergillus niger và Aspergillus oryzae Nó được sử dụng chủ yếu để phá vỡ lactose trong sữa làm cho sữa thích hợp cho những

người không dung nạp được lactose Tuy nhiên, Thực phẩm và Dược Hoa Kỳ (FDA) đã không chính thức đánh giá hiệu quả của các sản phẩm này Lactase cũng được sử dụng trong sản xuất kem Bởi vì glucose và galactose có độ ngọt cao hơn so với lactose, lactose tạo ra một hương vị

dễ chịu hơn Lactose cũng kết tinh ở nhiệt độ thấp của kem, tuy nhiên, sản phẩm thành phần của

nó, glucose và galactose, vẫn còn bị giải thể và đóng góp cho một cấu trúc mịn hơn Lactase được sử dụng trong việc chuyển đổi whey thành sirup Các nhà sản xuất kem, sữa chua và món tráng miệng đông lạnh sử dụng lactase để cải thiện độ mịn, vị ngọt, và khả năng tiêu hóa, và giảm kích thước tinh thể lactose trong nguyên liệu Thưc tế cho thấy, phô mai sản xuất từ sữa đã thủy phân có hiệu suất cao hơn so với phô mai sản xuất từ sữa bình thường

Đặc tính của enzyme lactase:

Các đặc tính của enzyme này phụ thuộc vào nguồn của nó Nhiệt độ và pH tối ưu của enzyme khác nhau với các loại chế phẩm cụ thể Cố định của các enzym, phương pháp cố định,

và loại chất mang sử dụng cũng có thể ảnh hưởng đến các giá trị này Nhìn chung, lactase đi từ nấm sợi có pH tối ưu trong khoảng 2,5-4,5, lactase đi từ vi khuẩn và nấm men có pH trung tính tương ứng là 6-7 ; 6,5-7,5 Sự khác nhau về pH tối ưu của lactases làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng, ví dụ lactases từ nấm mốc được sử dụng để thủy phân whey acid, trong khi lactase đi từ vi khuẩn và nấm men phù hợp với sữa (pH 6,6) và whey ngọt (pH 6,1) thủy phân Tuy nhiên,ứng với những cơ chất khác nhau thì pH của enzyme cũng thay đổi như đối với cơ chất o-nitrophenyl-β-D-galactopyranoside (ONPG) là 4,5 và với cơ chất lactose là 4,8 Đối với enzyme lactase thu nhận từ nấm sợi thì pH sẽ dao động trong khoảng từ 3,0-5,0 và khoảng nhiệt

độ tối ưu của nó cũng dao động từ 50-550C

Về vấn đề ức chế sản phẩm, ví dụ như ức chế bởi galactose, đây là một đặc tính phụ

thuộc vào nguồn gốc của lactase Các enzyme từ Aspergillus niger bị ức chế mạnh mẽ bởi galactose hơn từ Aspergillus oryzae Sự ức chế này có thể được khắc phục bằng cách thủy phân

lactose ở nồng độ thấp bằng cách sử dụng các hệ thống cố định enzyme hoặc bằng cách phục hồi các enzyme thủy phân -sử dụng siêu lọc hàng loạt

1.2 Quá trình nuôi cấy nấm sợi trên môi trường rắn

Phần lớn các nhà máy sản xuất enzyme, khi nuôi cấy vi sinh vật thu nhận enzyme, người

ta thường sử dụng môi trường đặc Trong trường hợp này, vi sinh vật phát triển trên bề mặt môi trường, nhận chất dinh dưỡng từ hạt môi trường và sinh tổng hợp ra enzyme nội bào và ngoại bào Các enzyme ngoại bào sẽ thẩm thấu vào trong các hạt môi trường, còn các enzyme nội bào nằm trong sinh khối vi sinh vật

Vi sinh vật không chỉ phá triển trên bề mặt môi trường, nơi ngăn cách pha rắn ( môi trường ) và pha khí ( không khí ) mà còn phát triển trên bề mặt của các hạt môi trường nằm hẳn trong lòng môi trường Môi trường nuôi cấy vừa có độ xốp cao và vừa phải có độ ẩm thích hợp Nếu độ ẩm quá cao sẽ làm bết môi trường lại , không khí không thể xâm nhập vào trong lòng môi trường, nếu có độ ẩm thấp quá sẽ không thuận lợi cho vi sinh vật phát triển Thông thường người ta thường tạo độ ẩm khoảng 55-65% khối lượng là hợp lý

Quá trình phát triển của nấm mốc trong môi trường bán rắn khi nuôi bằng phương pháp

bề mặt này trải qua các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Giai đoạn này kéo dài 10-14 giờ kể từ thời gian bắt đầu nuôi cấy Ở giai

đoạn này có những thay đổi sau:

-Nhiệt độ tăng rất chậm

-Sợi nấm bắt đầu hình thành và có màu trắng hoặc màu sữa

-Thành phần dinh dưỡng bắt đầu có sự thay đổi

-Khối môi trường còn rời rạc

-Enzyme mới bắt đầu đươc hình thành

Trong giai đoạn này phải đặc biệt quan tâm đến chế độ nhiệt độ Tuyệt đối không được đưa nhiệt

độ cao quá 30oC vì thời kỳ đầu này giống rất mẫn cảm với nhiệt độ

Giai đoạn 2: Giai đoạn này kéo dài 14-18 giờ Trong giai đoạn này có những thay đổi cơ

bản sau: Toàn bộ bào tử đã phát triển thành sợi nấm và sợi nấm bắt đầu phát triển rất mạnh các sợi nấm này tạo ra những mạng sợi chằng chịt khắp trong các hạt môi trường trong lòng môi trường

-Trong giai đoạn này ta có thể hoàn toàn nhìn rõ các sợi nấm có màu trắng xám bằng mắt thường

-Môi trường được kết lại khá chặt

-Độ ẩm môi trường giảm dần

-Nhiệt độ môi trường sẽ tăng nhanh có thể lên tới 40-45oC

-Các chất dinh dưỡng bắt đầu giảm nhanh do sự đồng hoá mạnh của nấm sợi

-Lượng O2 trong không khí giảm và CO2 sẽ tăng dần, nên trong giai đoạn này cần phải được thông khí mạnh và nhiệt độ cần duy trì trong khoảng 29-30oC là tốt nhất

Giai đoạn 3: Giai đoạn này kéo dài 10-20 giờ Ở giai đoạn này có một số thay đổi cơ bản

như sau:

-Quá trình trao đổi chất yếu dần, do đó mức độ giảm chất dinh dưỡng sẽ chậm lại -Nhiệt độ của khối môi trường giảm.Trong giai đoạn này cần xác định thời điểm kết thúc quá trình nuôi cấy

Kết thúc quá trình nuôi cấy ta thu nhận được chế phẩm enzym, chế phẩm này được gọi là chế phẩm enzym thô (vì ngoài thành phần enzym ra, chúng còn chứa sinh khối vi sinh vật, thành phần môi trường và nước trong môi trường)

Hình 1– Cân bằng vật chất trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật

Canh trường sau lên men (canh trường rắn) của nấm sợi Aspergillus niger chứa:

 Sản phẩm trao đổi chất ngoại bào gồm có:

+Sản phẩm trao đổi chất bậc I chủ yếu là glucose, -D-galactose, …

+Enzym lactase

+Protein phi enzyme

 Cơ chất sót: chất độn của môi trường nuôi cấy, lactose, pepton,K2HPO4, MgSO4.7H2O, (NH4)H2PO4, CaCl2,…

 Sinh khối nấm sợi Aspergillus niger.

Trong những phần tiếp theo bên dưới ta đi vào quy trình tinh sạch enzyme lactase từ canh

trường nấm sợi Aspergillus niger (canh trường rắn sau lên men)

Chất độn maltodextrin hoặc tinh bột biến tính Các phụ gia khác

VSV

Sinh khối

vi sinh vật

Sản phẩm trao đổi chất

Cơ chất sót

3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

3.1 Sơ đồ khối

Hình 2- Sơ đồ khối quy trình tinh sạch enzyme lactase từ canh trường nấm sợi Aspergillus niger

Canh trường rắn sau lên men

Hòa tan tủa

Sắc ký trao đổi ion

Bã Nước

Muối (NH4)2SO4

Dung dịch đệm

Chất độn, phụ gia

Bao bì

Hình 3- Sơ đồ thiết bị quy trình tinh sạch enzyme lactase từ canh trường nấm sợi

Aspergillus niger

Chú thích:

4 GIẢI THÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

4.1 Nghiền

Nghiền là quá trình biến các chất rắn thành những chất nhỏ hơn dưới tác dụng của

va đập, nén vỡ, chà xát, chia cắt và các yếu tố khác Ở đây, ta tiến hành nghiền sơ bộ canh trường nấm mốc sau lên men để trích ly enzyme lactase là enzyme ngoại bào nên chỉ nghiền sơ bộ, hạn chế sự phá vỡ tế bào nấm sợi và sự hòa tan của các thành phần tạp khác vào trong canh trường sau khi nghiền như protein phi enzyme, oligosaccharide, … (vì nếu có nhiều thành phần tạp lẫn vào canh trường thì việc tinh sạch sẽ càng khó khăn

4.1.2 Các biến đổi của nguyên liệu:

Vật lý : biến đổi vật lý là biến đổi chủ yếu trong quá trình nghiền, kích thước nguyên liệu sẽ giảm, diện tích bề mặt riêng tăng lên

Các biến đổi hóa học, hóa lý và hóa sinh : không đáng kể (Do nghiền ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ của nguyên liệu không tăng nhiều trong quá trình nghiền)

Sinh học: khi nghiền vật liệu, dưới tác dụng của lực cơ học, vi sinh vật có thể bị tiêu diệt một phần, nhưng mức độ không đáng kể Sau khi nghiền, diện tích bề mặt tăng lên, mật độ vi sinh vật tăng lên Các thành phần dinh dưỡng giải phóng một phần, có thể làm vi sinh vật phát triển mạnh hơn

4.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng:

+ Cấu trúc nguyên liệu: yếu tố này quyết định đến lực cơ học tác động lên

nguyên liệu Ở đây với nguyên liệu là canh trường rắn ta chọn lực tác dụng là lực nén

+ Độ cứng nguyên liệu: ảnh hưởng đến thông số của máy nghiền về công suất và tốc độ quay của máy nghiền

+ Kích thước nguyên liệu: là yếu tố đầu tiên để tính toán, lựa chọn thiết bị

nghiền

4.1.4 Thông số quá trình:

+Lực tác dụng lên nguyên liệu: hiệu chỉnh tùy thuộc vào cấu tạo và loại thiết bị

+Kích thước hạt đầu ra: 5-7 mm

+Nhiệt độ: 25oC

4.1.5 Thiết bị

Việc chọn máy nghiền phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu nghiền, vào yêu cầu sản phẩm nhận được và vào năng suất sản xuất Như khi nghiền các chủng nuôi cấy trên bề mặt trên dây chuyền sản xuất enzim không cho phép ứng suất cơ học phá huỷ cấu trúc của enzim, không cho phép tăng nhiệt độ vật liệu Độ đồng nhất và mức độ nghiền có ảnh hưởng lớn đến sự thu nhận enzim từ canh trường nấm mốc được nuôi cấy bằng phương pháp bề mặt Khi trị số của các hạt đạt được từ 5 ÷ 7 mm thì quá trình khuếch tán enzim sẽ là tối ưu Giảm kích thước của các tiểu phần sẽ làm tăng sức cản thuỷ lực trong các thiết bị khuếch tán Tăng kích thước các tiểu phần canh trường sẽ làm chậm tốc độ khuếch tán của enzim

Để nghiền canh trường nấm mốc ta có thể chọn một trong các loại máy nghiền sau: máy nghiền búa, nghiền vít, máy tán, nghiền trục, nghiền rung ,…

Ở đây, ta chọn máy nghiền trục Thiết bị có bộ phận chính là hai trục răng Khi thiết bị hoạt động, hai trục răng sẽ quay ngược chiều nhau,nguyên liệu được nạp từ trên xuống Dưới tác dụng ép và chà xát làm giảm kích thước nguyên liệu Sau đó, nguyên liệu chui qua trục sẽ được đưa ra ngoài Tốc độ quay của trục : 180 vòng/phút

Hình 4 – Nguyên lý hoạt động máy nghiền trục

Hình 5 – Thiết bị nghiền trục

4.2 Trích ly

Trích ly là quá trình hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử có trong mẫu nguyên liệu bằng cách cho nguyên liệu tiếp xúc trực tiếp với dung môi Động lực của quá trình trích ly là sự chênh lệch nồng độ của cấu tử ở trong nguyên liệu và ở trong dung môi Đây là một quá trình truyền khối

Dung môi sử dụng: nước

4.2.1 Mục đích công nghệ :

Mục đích công nghệ ở đây là khai thác (do chiết rút các cấu tử cần thu nhận có trong nguyên liệu ban đầu, làm gia tăng nồng độ của cấu tử cần trích ly)

4.2.2 Các biển đổi của nguyên liệu:

+Hóa lý: đây là quá trình biến đổi quan trọng nhất Đó là sự hòa tan của các cấu tử vào

+Hóa sinh và sinh học: Khi sử dụng dung môi là nước thì các enzyme sẽ xúc tác cho những phản ứng chuyển hóa cơ chất

ly sẽ gia tăng

4.2.3 Thông số công nghệ :

 Kích thước của nguyên liệu: 5 ÷ 7 mm thì quá trình khuếch tán enzim sẽ là tối ưu

(Giảm kích thước của các tiểu phần sẽ làm tăng sức cản thuỷ lực trong các thiết bị khuếch tán Tăng kích thước các tiểu phần canh trường sẽ làm chậm tốc độ khuếch tán của enzim, hiệu suất trích ly thấp)

 Tỉ lệ khối lượng của nguyên liệu và dung môi: 1/10

 Nhiệt độ trích ly: 25oC

 Thời gian trích ly: 40-60 phút

 Tốc độ của dòng dung môi chảy qua lớp nguyên liệu trong thiết bị trích ly: phụ thuộc vào hình dạng thiết bị trích ly, kích thước lớp nguyên liệu trong trong thiết bị trích ly

 Canh trường sau trích ly:

+Hoạt độ riêng enzym: 3đơn vị hoạt độ/mg protein

+Hiệu suất thu hồi:100%

4.2.4 Thiết bị: sử dụng thiết bị trích ly liên tục dạng vít tải

Để trích ly enzim, axit amin và các chất khác từ vật liệu rắn trong điều kiện sản xuất lớn, người ta ứng dụng máy trích ly tác động liên tục Máy trích ly gồm 3 cột- nạp liệu, dỡ liệu kiểu nâng và cột nằm ngang Bên trong mỗi cột có vít đột lỗ, bộ truyền động điều chỉnh số vòng quay trong giới hạn 0,25 đến 2 vòng/phút nhằm để chọn chế độ trích ly tối ưu Các cột nạp và tháo liệu gồm những đoạn ống nối nhau có đường kính trong 600 mm Chiều dài của khoan trích ly 10 000

mm khi tổng chiều dài của cột 12 000 mm

1 Dẫn động 10 Khung đỡ

2 Khớp nối 11 Nắp

3 Cấu trúc kim loại 12 Vít trung gian

4 Cơ cấu nạp liệu 13 Vít nâng

5 Vít nạp liệu 14 Cơ cấu tháo liệu

Bộ nạp liệu kiểu vít tải chuyển pha rắn của canh trường nấm mốc vào phần trên của cột nạp liệu Vít đột lỗ chuyển tiếp xuống phía dưới và qua phần nằm ngang của cột để vào cột nâng Canh trường nấm mốc từ cột nạp liệu qua cột chuyển nằm ngang vào cột nâng và sau khi vắt thì thải ra ngoài Nước dâng lên trong cột nạp liệu được bảo hoà liên tục và sau khi qua bộ lọc ở phần trên của cột nâng thì đưa ra ngoài Hệ số chứa đầy pha rắn của cột có tính đến sự trương nở của sản phẩm bằng 0,8 Thời gian trích ly 40÷60 phút ở nhiệt độ 25oC

Sử dụng bộ dẫn động điện điều chỉnh có công suất 3,2 kW, số vòng quay 1500 ÷150 vòng/ph để quay vít tải Truyền động quay được thực hiện qua đai truyền và bộ truyền động

Đặc tính kỹ thuật của máy trích ly dạng vít:

Tỷ lệ giữa phần trích ly và pha rắn tính theo khối lượng chất khô 5:1

Thể tích hoạt động của phần trích ly, m3 3,4

Ly tâm chỉ tách được phần rắn có tỷ trọng lớn hơn dung dịch Dịch thu được chỉ là chế phẩm enzyme thô, nó còn chứa những protein không hoạt động và các chất hòa tan khác

4.3.1 Mục đích công nghệ:

Khai thác: ly tâm được sử dụng để tách bỏ những tạp chất rắn ra khỏi dung dịch để ta thu được chế phẩm enzyme thô

4.3.2 Các biến đổi của nguyên liệu:

Chủ yếu là sự tách pha trong quá trình ly tâm ( hệ nguyên liệu tách thành hai pha: pha rắn không tan (sẽ được loại bỏ) và pha lỏng chứa các các cấu tử hòa tan như enzyme, protein phi

enzyme, đường sót, khoáng …( sẽ được xử lý tiếp theo))

Các biến đổi khác không đáng kể

4.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng:

- Độ nhớt pha lỏng:độ nhớt có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ chuyển động của các cấu tử khi tác dụng cùng một lực, độ nhớt càng lớn thì tốc độ chuyển động càng chậm Do đó, trong quá trình phân riêng cần chú ý đến độ nhớt của pha liên tục

- Độ chênh lệch khối lượng riêng :Độ chênh lệch khối lượng riêng giữa các cấu tử cần phân riêng càng lớn thì tác dụng của lực ly tâm càng nhiều, quá trình phân riên diễn ra càng dễ

- Nhiệt độ:trong quá trình ly tâm, nếu nhiệt độ của nguyên liệu càng cao, độ nhớt của chất lỏng trong pha liên tục càng giảm, hiệu suất của quá trình phân riêng càng tăng Tuy nhiên, enzyme rất dễ biến tính ở nhiệt độ cao nên khi nâng cao nhiệt độ cần chọn nhiệt độ thích hợp

- Vận tốc ly tâm: khi vận tốc góc càng lớn thì lực ly tâm càng lớn, do đó hiệu suất của quá trình phân riêng càng tăng Tuy nhiên, trong quá trình ly tâm, vận tốc góc càng lớn thì yêu cầu về độ bền cơ học của thiết bị càng cao, chi phí đầu tư thiết bị càng lớn, làm giảm hiệu quả kinh tế của quá trình

- Bán kính ly tâm: bán kính ly tâm càng lớn, lực ly tâm càng lớn, hiệu quả phân riêng trong quá trình ly tâm càng cao

- Thời gian lưu: thời gian lưu của các cấu tử trong quá trình ly tâm càng lâu thì hiệu quả của quá trình phân riêng càng cao Tuy nhiên, thời gian lưu càng dài sẽ giảm năng suất thiết bị

4.3.4 Thông số công nghệ

- Nhiệt độ: 25oC

- Vận tốc ly tâm: thường khoảng 10 000 vòng/phút

- Thời gian ly tâm: phụ thuộc vào kích thước, dung tích của máy

4.3.5 Thiết bị: tiến hành ly tâm lạnh ( nếu có điều kiện) hoặc tiến hành trong điều kiện

nhiệt độ thấp để tránh hiện tượng biến tính enzyme

Sử dụng các máy ly tâm liên tục dạng đĩa

Hoạt đông:

Ở đây ta sử dụng máy phân ly tốc độ cao dạng AX-213 thuộc máy phân lý mới nhất và hiện đại Yếu tố phân chia của nó bằng 142000, nhờ đó có thể tách các hạt có đường kính đến 0,0005 mm Năng suất của máy đạt 36 m3/h

Các hạt rắn được phân ly tập trung ở ngoại vi của trống quay - ngoài vùng phân ly - và trong khoảng thời gian 4 ÷ 5 phút thì tháo ra ngoài nhằm tránh sự ngăn cản dòng tiếp theo Máy phân ly vi khuẩn làm việc liên tục, không cần phải ngừng để làm sạch, có hệ thống điều khiển quá trình tháo dỡ các hạt rắn, quá trình rửa không cần phải tháo trống quay và hoàn toàn được tự động hoá

Máy phân ly (hình 7) được lắp đặt trên bệ 13 có bốn chân giảm xóc 10, đảm bảo tính ổn định và loại trừ dao động của máy khi hoạt động Bên trong vỏ có trục đứng, trống quay 2 được lắp chặt trên trục hình thành dạng lõi - ống Các ổ trục trênvà dưới được lắp trong các bộ giảm xóc bằng cao su để loại trừ rung động Hệ bôi trơn bằng phun dầu tạo sương mù được tiến hành khi trục quay

Trống của máy phân ly vi khuẩn được trang bị các túi 3 để gom pha rắn Các mặt bên của túi được xếp thành góc để hướng các hạt rắn vào các ống xả Sự bố trí các ống xả theo dọc trục cho phép đảm giữ sự hoàn chỉnh tường ngoài của trống, và làm cho nó có độ bền cơ học lớn Sự tồn tại vòng hãm làm cho đường kính nhỏ lại nhằm giảm khối lượng và tăng độ bền thiết bị nhưng cho phép đạt tốc độ cao

Động cơ 12 được lắp trên bệ Truyền động quay tới trục trống nhờ đai đơn dẹt Khớp nối

từ tính 11 bảo đảm việc mở và dừng trục một cách êm thuận Máy phân ly vi khuẩn được trang

bị bộ hãm bằng thủ công để tác động tới tang của thùng chứa dầu đặt ở trong đáy vỏ trục

Nạp huyền phù dịch trích ly vào trống từ trên theo ống tâm cố định 1, rồi qua bộ phân phối để vào bộ đĩa 7, tại đây các hạt rắn được tách ra Các hạt rắn được bắn xuyên tâm theo hướng tác động của các lực ly tâm và được tháo xuống đĩa, rơi xuống mép đĩa và được đẩy ra khỏi khoảng giữa các đĩa vào ngoại vi đã được phân bố của túi, tại đây các hạt được gom lại

Chất lỏng trong chảy lên miệng trống và được tháo ra nhờ đĩa áp lực 4 Trên đĩa áp lực có vật đệm kín 5

Tiến hành phun gián đoạn các hạt rắn, cứ 4 ÷ 5 phút phun một lần trong khi chất lỏng được nạp liên tục và không được ngừng hoạt động Các ống xả dọc trục 6 được nối với các van

và các hạt rắn được tháo vào vòng gom Các hạt rắn được tháo ra từ vòng gom vào xiclon, sau đó được tháo ra ngoài dưới áp suất của lực ly tâm

Ưu điểm: thời gian thu nhận sản phẩm nhanh, liên tục; không gây ảnh hưởng lớn đến

4.4 Siêu loc

Phân riêng bằng membrane là quá trình tách các cấu tử có phân tử lượng khác nhau nhưng cùng hòa tan trong một pha lỏng hoặc tách các cấu tử rắn có kích thước rất nhỏ ra khỏi pha lỏng hoặc pha khí

Đối với nguyên liệu cần phân riêng dạng lỏng, khi bơm dung dịch nguyên liệu vào thiết

bị membrane, một số cấu tử có phân tử lượng nhỏ sẽ đi qua membrane, còn các cấu tử có phân tử lượng lớn bị giữ lại trên bề mặt membrane Quá trình phân riêng này cho ta hai dòng sản phẩm:

+Dòng sản phẩm đi qua membrane: permeate

+Dòng sản phẩm không qua membrane: retentate

Quá trình phân riêng bằng membrane tương tự quá trình lọc, trong đó, membrane đóng vai trò là vách ngăn để phân riêng các cấu tử Động lực quá trình phân riêng là sự chênh lệch áp suất ở hai bên bề mặt của membrane và sự chênh lệch áp suất này được tạo ra là nhờ hoạt động của bơm để đưa nguyên liệu vào thiết bị phân riêng

Các mao dẫn trên membrane có kích thước rất nhỏ so với vách ngăn trong quá trình lọc

và thiết bị phân riêng bằng membrane luôn hoạt động trong điều kiện kính dưới một áp lực nhất định

Giới thiệu màng siêu lọc:

Membrane siêu lọc có kích thước lỗ màng 0,01-0,1µm, sẽ giữ lại các đại phân tử hòa tan với phân tử lượng thường giao động trong khoảng 2 000-300 000Da ( một số protein, dextrin…)

Màng siêu lọc được cấu tạo bởi các sợi rỗng Trong mỗi sợi rỗng lại có nhiều sợi rỗng xếp song song và gắn chặt với lớp ngoài tạo thành những lỗ để các chất thấm qua Các sợi này

RC70PP Cellulose acetate (thế hệ mới) 10 000

Bảng 2- Các thông số hoạt động của màng

1-13 1-10 0-75 1-5 0-75

Các hiện tượng cần chú ý:

Hiện tượng tập trung nồng độ: hiện tượng một số cấu tử trong nguyên liệu sẽ phân bố tập trung lên vùng bề mặt hoạt động của membrane Nồng độ cấu tử tại vùng bề mặt membrane sẽ cao hơn so với trong mẫu nguyên liệu ban đầu Hiện tượng này có thể làm giảm lưu lượng dòng permeate Để hạn chế, cần thực hiện khuấy trộn mẫu trong khoảng không gian phía trên bề mặt hoạt động của membrane hoặc gia tăng giá trị áp lực qua membrane

Hiện tượng fouling: hiện tượng tắc nghẽn mao dẫn membrane do một số cấu tử trong nguyên liệu hấp phụ lên bề mặt membrane hoặc tương tác với các thành phần hóa học của membrane Hiện tượng này làm giảm lưu lượng dòng permeate Để khắc phục hiện tượng, dùng một số phương pháp vệ sinh membrane để giải hấp phụ các cấu tử từ vùng bề mặt của membrane hoặc làm yếu đi tương tác giữa membrane và các cấu tử có trong nguyên liệu cần phân riêng

bị cho quá trình tủa theo sau

4.4.2 Các biến đổi của nguyên liệu:

+Vật lý: sau quá trình phân riêng dòng permeat và dòng retentate sẽ có một số thay đổi về độ nhớt,tỉ trọng,…

+Hóa học: không làm xảy ra các phản ứng hóa học

+Hóa lý: hầu như không gây ra những biến đổi về pha

+Hóa sinh và sinh học: quá trình phân riêng bằng membrane không làm biến đổi sinh học hay hóa sinh

4.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình siêu lọc:

Nhiệt độ: nhiệt độ phải thích hợp với sản phẩm và loại màng sử dụng Khi chọn nhiệt độ cần lưu ý đến khả năng kết tủa của protein và sự tăng nhiệt độ trong quá trình siêu lọc vì các yếu tố này có thể làm bít màng

Áp suất: thường tốc độ dòng chảy (số lít chất lỏng chảy qua 1m2 màng trong 1 giờ) sẽ tăng cùng với sự gia tăng áp suất cho đến khi đạt giá trị cực đại Nếu áp suất tăng cao hơn nữa thì tốc độ dòng chảy sẽ giảm

Những thuận lợi (ưu điểm) của phương pháp siêu lọc:

Có thể chọn loại màng thích hợp tùy mục đích cụ thể

Đối với enzyme có thể cô đặc tới 25 lần mà không mất hoạt tính

Quá trình này vừa cô đặc ,vừa tinh sạch được enzyme (nếu thêm nước vào trong quá trình thực hiện thì độ tinh sạch càng cao)

Quá trình siêu lọc có thể thực hiện tốt ngay ở nhiệt độ thấp (5oC)

Nhược điểm:

Nhiệt độ cao có thể làm mất hoạt tính của enzyme

PI2 (áp suất dòng ra) ở trong khoảng 0,5-3 bar

Áp suất dòng vào lớn nhất PI1 lớn nhất 7 bar

Áp suất dòng ra nhỏ nhất là 0,5 bar

Nhiệt độ thích hợp để tiến hành là 10-20oC để không làm mất hoạt tính enzyme

Ở đây, ta sử dụng màng GR40PP có khả năng giữ lại những phân tử có khối lượng trên 100.000 Da

4.4.5 Thiết bị:

Thiết bị là hai ống hình trụ đồng trục bằng thép không rỉ, đường kính khác nhau và được lồng vào nhau ống hình trụ bên trong có thân được đục lỗ Một membrane dạng tấm được cuộn tròn lại để tạo thành hình ống và được lồng ép sát vào thành bên trong của ống hình trụ có đường kính nhỏ

Hình 8-Tthiết bị phân riêng bằng membrane: mô hình ống

Hoạt động:

Dung dịch nguyên liệu sẽ được bơm vào một đầu bên trong ống hình trụ có đường kính nhỏ Dòng retentate sẽ thoát ra tại đầu bên kia của ống hình trụ này Còn dòng permeate sẽ chui qua các mao dẫn của membrane và thoát ra thành bên ngoài của ống hình trụ nhỏ và theo đường dẫn để ra bên ngoài thiết bị

Để tăng diện tích phân riêng trong thiết bị, người ta có thể lắp đặt một chùm ống hình trụ đường kính nhỏ được quấn membrane bên trong thân rồi được đặt song song nhau và ở bên trong thân của một ống hình trụ đường kính lớn Chiều cao các ống hình trụ có thể lên tới 10m Có thể