Công nghệ sản xuất protein đơn bào

Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏProtein đơn bào (SPC-Single cell protein) là thuật ngữ chỉ một loại chất dinh dưỡng có trong tế bào và chỉ sản xuất từ vi sinh vật (VSV), được sử dụng làm thức ăn cho người và động vật. Thuật ngữ này không chỉ đơn giản là protein từ tế bào của cơ thể đơn bào, vì rất nhiều VSV không phải là cơ thể đơn bào mà người ta vẫn khai thác chúng. Do đó, thuật ngữ này nên hiểu là nguồn dinh dưỡng chứa nhiều protein từ VSV khác nhau, cả đơn bào lẫn đa bào (từ vi khuẩn, nấm men, nấm sợi và tảo). Được sử dụng trước hết là nguồn protein trong dinh dưỡng động vật, chủ yếu là trong chăn nuôi.

đó, thuật ngữ này nên hiểu là nguồn dinh dưỡng chứa nhiều protein từ VSV khác nhau, cả đơn bào lẫn đa bào (từ vi khuẩn, nấm men, nấm sợi và tảo) Được sử dụng trước hết là nguồn protein trong dinh dưỡng động vật, chủ yếu là trong chăn nuôi

Bảng 1: Thành phần hóa học của SCP trên các cơ chất khác nhau

Bảng 2: Thành phần acid amin thiết yếu của các nguồn SCP khác nhau

1.1 Ưu điểm của protein đơn bào:

Sản xuất protein đơn bào có những ưu điểm sau:

- Vi sinh vật là cơ thể có tốc độ sinh sản rất mạnh, khả năng tăng trưởng nhanh Chỉ trong một thời gian rất ngắn ta có thể thu nhận được một khối lượng sinh khối rất lớn, thời gian này được tính bằng giờ, còn ở thực vật và động vật thời gian này được tính bằng tháng hoặc hàng chục năm.

Bảng 3: Thời gian tăng đôi khối lượng

Bảng 4: Hiệu quả sản xuất protein của một số nguồn protein trong 24 giờ

- Hàm lượng protein rất cao: ở vi khuẩn là 60 – 70%, ở nấm men là 40 – 50% chất khô Hàm lượng này còn phụ thuộc vào loài và chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy Hàm lượng protein ở đây chỉ bao hàm protein chứ không gồm các thành phần nitơ protein như axit nucleic, peptit

- Protein của vi sinh vật có chất lượng tương đương protein động vật và hơn hẳn protein thực vật

- Vi sinh vật có khả năng hấp thụ, phân giải nhiều loại nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, thậm chí cả chất thải, nước thải của một quá trình sản xuất nào đó

- Hiệu suất chuyển hóa cao: hydratcacbon được chuyển hóa tới 50%, cacbuahydro

- 100% thành chất khô của tế bào

- Hoàn toàn có thể sản xuất theo quy mô công nghiệp (sản xuất hàng loạt, có kiểm soát và sản phẩm có chất lượng đồng nhất)

- Sản xuất protein đơn bào không phụ thuộc vào khí hậu hay điều kiện địa lý

1.2 Nhược điểm:

Tuy vậy, nguồn protein thu nhận được từ vi sinh vật còn có những hạn chế:

- Hàm lượng các acid amin chứa lưu huỳnh thấp

- Khả năng tiêu hóa của protein: có phần bị hạn chế bởi thành phần phi protein, như acid nucleic, peptid của tế bào, hơn nửa chính thành và vỏ tế bào VSV khó cho enzyme đi qua

1.3 Giá trị dinh dưỡng của SCP:

Bảng 5: T hành phần các nhóm chính của một số vi sinh vật (% trọng lượng khô)

Bảng 6: Thành phần vitamin của một số vi sinh vật (mg/100 g trọng lượng khô)

n Parafin thu được từ sản phẩm dầu mỏ sẽ ở dạng hỗn hợp.Người ta phân loại chúng là parafin cứng và parafin mềm Parafin mềm nóng chảy ở nhiệt độ <40oC, chúng gồm hydrocacbon C11-C20, sôi ở nhiệt độ từ 200oC đến 320-350oC Đối với một số yêu cầu, người ta thu parafin mềm ở dạng phân đoạn rất hẹp, ví dụ 250-300oC Parafin cứng (nhiệt độ nóng chảy hơn 50oC) gồm hydrocacbon C20-C35sôi từ 300-350oC

2.1.1 Tách parafin

- Nguồn gốc chính của parafin lỏng và rắn dùng cho tổng hợp hữu cơ là dầu mỏ Dầu mỏ gồm hỗn hợp parafin, naften và hydrocacbon thơm với nhiều tạp chất là những hợp chất chứa oxi và lưu huỳnh Tùy vào nguồn gốc ban đầu của dầu mà tỉ lệ của những hydrocacbon kể trên sẽ thay đổi đáng kể

- Mỗi loại hydrocacbon trong dầu có nhiều đồng đẳng và đồng phân: parafin có mặt dưới dạng đồng phân đồng phân mạch thẳng và nhánh; naften vòng 5 và 6 với một hoặc nhiều nhóm alkul có độ dài khác nhau; hydrocacbon thơm ở dạng benzen của nó (toluen, xilen) còn những hydrocacbon thơm khác có vòng ngưng tụ (naftalen, antraxen, những đồng đẳng của chúng

Tách n-parafin nhờ zeolit

- Là phương pháp mới, tiến bộ được dùng nhiều Nó dùng cho bất cứ phân đoạn nào và cho độ tách n-parafin cao (80-98%) và độ tinh sạch cao (98-99,2%) Quá trình này gồm 2 giai đoạn: hấp phụ n-parafin và giải hấp phụ

- Người ta trộn và phân đoạn dầu với khí N2, gia nhiệt và hóa hơi trong thiết bị gia nhiệt Hỗn hợp hơi khí thu được cho vào thiết bị hấp phụ đã chứa đầy zeolit, tại đây xảy

ra sự hấp phụ n-parafin Làm lạnh hỗn hợp thoát ra sau khi hấp phụ qua bộ làm lạnh rồi tách phần ngưng đã tách parafin ra khỏi khí N2 trong bộ phân ly Khi chất hấp phụ bị parafin bão hòa hoàn toàn sẽ xảy ra quá trình giải hấp phụ (NH3) Sau khi giải hấp phụ người ta làm lạnh hỗn hợp chất giải hấp phụ và parafin trong bộ làm lạnh và tách chúng trong thiết bị phân ly

2.1.2 Tiêu chuẩn của parafin:

Bảng 7: Đặc điểm kỹ thuật của parafin dùng để lên men

- Sản phẩm oxy hóa của một số hydrocacbon khác trong nguyên liệu có thể có tác hại đến tăng sinh khối của giống nuôi cấy

2.2 Nguồn Nitơ:

- Là nước amoniac có 20 - 25% NH3 và một lượng nhỏ amoni sulfat, amonisulfat

có thể được thay bằng amoni clorua

2.3 Nguồn khoáng:

- Nguồn phospho: sử dụng supephosphat hoặc acid orthophosphoric

- Nguồn Kali và Magie: trong sản xuất sinh khối nấm men, người ta sử dụng KCl như nguồn kali và MgSO4.7H2O như nguồn cung cấp magie

2.4 Nước:

- Nước sử dụng trong sản xuất sinh khối nấm men là nước sử dụng trong sinh hoạt (nước máy) Nếu sử dụng nước giếng phải xử lý chúng để chất lượng loại nước này đạt chất lượng như nước máy dùng trong sinh hoạt

- Nước được coi như nguyên liệu chính dùng trong sản xuất vì đây là công nghệ lên men hiếu khí

Các yêu cầu về nước :

- Có độ cứng từ 4 – 8o (1o tương đương 10 mg CaO/l)

- Không màu, không mùi, không vị

- Các chất sau không được quá mức cho phép (mg/l): Cl- < 0,5; SO4-2 < 80; As < 0,05; Zn < 5; Cu < 3; FeO < 3

- Tổng số vi khuẩn hiếu khí <10 cfu/L (37oC), không chứa Coliforms, không chứa Faecal streptococci và các vi khuẩn clostridia khử sulphit

 Tế bào hình ovan hoặc hình tròn, khá lớn, kích thước là (4 ÷ 8) x (5 ÷ 11)

µm, phần lớn các tế bào kế thành nhánh, hiếm khi đứng riêng rẽ Hệ sợi giả phát triển tốt từ những sợi giả kéo dài phân nhánh thành chuỗi Không tạo bào tử túi Trong tế bào già tích tụ nhiều hạt chất béo

Hình 1: Candida tropicalis

- Tính chất nuôi cấy:

 Qua ngày đêm ở 36ºC trong nước malt (4ºBe) tạo thành cặn không nhiều và qua một tháng tạo thành màng dày nhăn nheo Khuẩn lạc mọc trên mặt thạch - malt hình tròn, màu kem trắng Trên mặt khuẩn lạc có những nếp nhăn với nhánh phát tia Rìa khuẩn lạc bị chia cắt theo hình răng cưa hoặc

có tua (hiếm khi phẳng nhẵn) Men này là loại dị hình thái : một chủng có khi mọc thành khuẩn lạc dạng R (nhăn nheo) hay dạng S (nhẵn)

 Nấm men này không hấp thu được sorbiose, xenlobiose, lactose, melibiose, dulxit, inozit và axit xalysalic

 Những chủng thuộc giống loài này không phân hủy (hoặc rất yếu) arbutin, không tạo thành các chất tương tự tinh bột, thủy phân ure Không đồng hóa (hoặc rất yếu) nitrat

 Các chủng men này cần một số vitamin làm chất sinh trưởng: axit pantotenic, para-aminobenzoic, tiamin, inozit v.v

- Đặc tính công nghệ:

 Năng suất thu sinh khối của C Tropicalis đạt khoảng 38 ÷ 46% trong môi trường nuôi cấy, tốc độ sinh trưởng riêng là 0,15 ÷ 0,2/h Nếu trong môi trường cho thêm cao men (0,5%), destibiotin (5 ÷ 10 γ) năng suất sẽ tăng đến 48 ÷ 50% và tốc độ sinh trưởng là 0,25 ÷ 0,28/h

 Nhiệt độ nuôi cấy thích hợp là 36 ÷ 37oC, pH môi trường là 4,2 ÷ 4,5

3.2 Candida utilis (hay Candida utilis (Henneberg) nov Comb)

Hình 2: Candida utilis

- Đặc điểm nuôi cấy:

 Trong môi trường lỏng tạo thành vòng và cặn lắng đặc Khuẩn lạc mọc trên môi trường thạch – malt có màu vàng úa, óng ánh nhẹ, phẳng, nhẵn, rìa hơi

bị chia cắt, thỉnh thoảng ở giữa không láng bóng hơi gợn nhăn nheo

- Đặc tính hóa sinh:

 Loài men này lên men được glucose, saccharose, 1/3 rafinose Đồng hóa bằng cách oxy hóa glucose, saccharose, maltose, rafinose, xylose, yếu với galactose và arabinose

 Có thể hấp thu được các nguồn nitơ như KNO3, (NH4)2SO4, ure, pepton

- Đặc điểm công nghệ:

 Nhiệt độ tối thích cho sinh trưởng là 34 ÷ 36oC

 Năng suất thu sinh khối là khoảng 40% so với chất khô trong môi trường, tốc độ sinh trưởng là 0,3/h

3.3 Tiêu chuẩn chọn giống:

Nấm men gồm có nhiều chủng khác nhau, mỗi chủng có một vài đặc tính riêng biệt Vấn đề lựa chọn các chủng vi sinh vật có hoạt lực cao để dùng trong sản xuất có ý nghĩa rất quan trọng, trong công nghiệp sản xuất protein từ phụ phẩm dầu mỏ phải đáp ứng được những yêu cầu sau:

- Có khả năng sử dụng tốt nguồn hydrocacbon dùng làm nguyên liệu sản xuất

- Sinh trưởng nhanh chóng, cho sản lượng cao trong thời gian ngắn

- Có đặc điểm hóa học và nuôi cấy ổn định, có hàm lượng protein cao, chứa đầy đủ các axit amin cần thiết, không có độc tố và phải được động vật đồng hóa tốt

- Không gây bệnh và tiết độc tố vào môi trường

- Có sức bền cao và chịu được điều kiện nuôi cấy không vô trùnng

Sản phẩm SCP

Muối dinh dưỡng Men giống

Nước

Nguồn N, nguồn khoáng

4.2 Sơ đồ thiết bị:

1- Thiết bị phối trộn

2 – Bơm

3 – Thiết bị nhân giống

4 – Thiết bị lên men

- Ngoài ra do nguyên liệu đầu là nguồn hydrocacbon không có các nguyên tố vi lượng, vì vậy cần phải bổ sung vào môi trường các muối sau: FeCl3.6H2O; MnSO4.H2O; ZnSO4.7H2O; CuSO4.5H2O

d Thiết bị:

- Sử dụng thùng phối trộn có cánh khuấy để đảo trộn hỗn hợp trở nên đồng nhất

- Tốc độ cánh khuấy 150 ÷ 200 rpm

Hình 3: Thiết bị phối trộn

5.2 Nhân giống

a Mục đích: chuẩn bị

- Đây là giai đoạn chuẩn bị cho quá trình nuôi cấy mở rộng nhằm làm tăng lượng nấm men giống sau mỗi chu kỳ nuôi cho đến khi đủ lượng giống cần thiết cho quá trình sản xuất

 Nuôi cấy nhân giống đầu tiên được thực hiện trong phòng thí nghiệm:

- Môi trường nhân giống như sau: dịch rỉ đường nồng độ chất khô 4 – 5%, chỉnh

pH = 4.2 – 4.5 và bổ sung 0.% diamoni phosphat hoặc 0.2% orthophosphat và 0.1% ure Môi trường trong các thiết bị nhân giống cấp 2, cấp 3… là dịch bã rượu có nồng độ 4,5 – 6% chất khô

- Giống được nuôi cấy trên ống nghiệm thạch nghiêng rồi cấy chuyền vào ống nghiệm chứa 10ml môi trường nuôi cấy đã được vô trùng Tiến hành nuôi ở 34-37oC trong vòng 16-20 giờ

- Sau khoảng thời gian trên thì ta lần lượt cấy vào bình tam giác và trong các thiết

bị lớn hơn, tỷ lệ giống chuyển cấp là 1:10 cho đến khi được 100 lít thì ta chuyển sang giai đoạn nhân giống ở chế độ phân xưởng

 Nhân giống trong giai đoạn phân xưởng:

- Tiến hành nhân giống trong thiết bị có thể tích 3-4 m3 chứa 1m3 dịch nuôi cấy cũng ở nhiệt độ và thời gian như trên, sau đó ta tiếp tục nhân giống vào những thiết bị lớn hơn với tỷ lệ mỗi cấp chuyển giống là 1:10 cho đến khi được 100 m3

- Quá trình nhân giống trong phòng thí nghiệm và nhân giống trong sản xuất cần tạo điều kiện cho giống thuần chủng sinh sản nhanh, không bị tạp nhiễm với các dụng cụ

Hình 4: Sơ đồ nhân giống

d Thông số công nghệ:

- pH trong quá trình nhân giống và nuôi giống: 4.2 - 4.5

- Nhiệt độ trong quá trình nhân giống và nuôi giống: 34 -37oC

- Hóa lý: oxy hòa tan vào canh trường, nấm men thải ra khí CO2 hình thành bọt,

pH thay đổi do có sự vận chuyển các chất qua màng tế bào

- Vật lý: tỷ trọng, nhiệt độ thay đổi

c Thiết bị:

1- Động cơ; 2- Hộp giảm tốc; 3- Khớp nối; 4- Ổ bi; 5- Vòng bít kín; 6- Trục; 7- Thành thiết bị; 8- Máy khuấy trộn tuabin; 9- Bộ trao đổi nhiệt ống xoắn, 10- Khớp nối; 11- Ống nạp không khí; 12- Máy trộn kiểu cánh quạt; 13- Bộ sủi bọt, 14- Máy khuấy dạng vít; 15- Ổ đỡ; 16- Khớp tháo; 17- Lớp áo nhiệt, 18- Khớp nạp liệu; 19- Khớp nạp không khí

- Thiết bị lên men là một xylanh đứng, có đáy hình cầu đáy côn Tỉ lệ chiều cao và đường kính 2,6:1 Trên nắp có bộ dẫn động cho cơ cấu chuyển đảo và cho khử bọt bằng

cơ học; ống nối để nạp môi trường dinh dưỡng, giống, chất phá bọt, nạp và thải không khí, các cửa quan sát, cửa để đưa vòi rửa, van bảo hiểm, các khớp nối để gắn các dụng cụ kiểm tra Khớp xả đáy ở đáy của thiết bị dùng để tháo canh trường, có lớp vỏ áo bên ngoài và hệ thống lò xo bên trong để điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình sản xuất

c Thiết bị:

- Thiết bị ly tâm có hai dòng thoát: hỗn hợp canh trường được nạp vào theo ống dẫn bên dưới thiết bị Thông qua hệ thống kênh dẫn được tạo thành từ các lỗ trên dĩa ly tâm, dòng giàu VSV (có khối lượng riêng lớn hơn) sẽ chuyển động về phía bên ngoài thùng quay và theo cửa bên hông thùng để thoát ra ngoài Dòng chứa ít tế bào vi sinh vật

do khối lượng riêng thấp hơn sẽ chuyển động về phía trục quay rồi thoát ra khỏi thiết bị theo cửa trên đỉnh thùng

- Vật lý: nhiệt độ tăng, hàm ẩm giảm, tỷ trọng thay đổi

- Hóa lý: sự bay hơi nước và các chất dễ bay hơi dưới tác động của nhiệt độ cao

Có sự chuyển pha từ dạng lỏng (dịch lên men) sang dạng rắn

- Hóa sinh: một số enzym bị vô hoạt

- Sinh học: khi nhiệt độ sấy tăng cao, tế bào nấm men và một số vi khuẩn bị tiêu diệt Tuy nhiên do thời gian sấy rất ngắn nên biến đổi về hóa sinh và sinh học không lớn lắm

c Thiết bị:

Hình 7: Thiết bị sấy 2 trục

Hình 8: Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy 2 trục

- Thiết bị gồm 2 trục sấy có dạng hình trụ nằm ngang, có thể xoay xung quanh trục của nó và xoay ngược chiều nhau Người ta sẽ cho hơi bão hòa (120 – 170o) vào bên trong thân trụ để gia nhiệt bề mặt hình trụ Nguyên liệu được tiếp xúc với bề mặt ngoài của thân trụ và nhiệt độ của nguyên liệu tăng lên nhanh chóng Nước sẽ bốc hơi và xuất hiện 1 màng mỏng bám bên ngoài thân trụ Khi trục xoay, dao gạt sẽ tách nguyên liệu ra khỏi thân trụ và rơi qua cửa tháo sản phẩm

d Thông số kỹ thuật:

- Áp suất làm việc: áp suất khí quyển

- Vận tốc xoay của trục sấy: 2 – 10 vòng/phút

- Nhiệt độ hơi bão hòa: 120 - 170oC

- Nồng độ nguyên liệu vào: 35 - 40% chất khô

- Độ ẩm sau khi sấy: ≤ 10%

5.6 Bao gói

a Mục đích: hoàn thiện

b Phương pháp thực hiện:

- Sản phẩm sau khi sấy khô được bọc trong các gói giấy bằng polietylen theo từng

lô từ 0,3 đến 1,6 kg Công đoạn bao gói sản phẩm được tiến hành trên dây chuyền tự động B6-BPA, dây chuyền khảo sát khả năng biến đổi kích thước của hộp theo chiều cao từ

150 đến 300 mm với đường kính không đổi bằng 242 mm, và định lượng sản phẩm trong giới hạn 0,4-0,5 kg

- Dây chuyền được sử dụng để hoạt động trong phân xưởng chia gói ở nhiệt độ từ

18 – 30oC và độ ẩm tương đối của không khí đến 60%

c Thiết bị

 Nguyên tắc hoạt động

- Nạp sản phẩm vào ống làm bằng màng polyetylen đã được hàn từ bộ định lượng

1 Sau khi kết thúc hàn mỏ cặp dọc nhả ra Ống được hàn cùng sản phẩm hạ xuống dưới nhờ các băng tải kéo của cơ cấu hạ ống 5 xuống một khoảng bằng chiều dài của gói, sau

đó hàn gói, cắt gói dưới, nạp sản phẩm cho gói tiếp theo Gói đựng đầy sản phẩm rơi xuống hộp kim loại qua phễu nhận nằm trong băng tải xung của cơ cấu xếp

- Nạp các hộp kim loại rỗng tới băng tải xung được tiến hành bằng phuơng pháp gạt hộp qua cầu chuyển

- Từ băng tải xung của cơ cấu xếp hộp, các gói được chuyển đến băng tải kiểu tấm của máy ghép mí tự động để ghép đáy và chuyển đến máy dán nhãn qua máy lật hộp

- Hộp được đưa vào máy dán nhãn ở vị trí nằm ngang rồi dán vòng tròn và tải hộp tới máng nghiêng của máy dán nhãn Sau đó hộp theo băng tải vào kho thành phẩm

4 Máy hàn mối dọc của ống

5 Cơ cấu căng ống

6 Máy hàn đáy và nắp gói

7 Cơ cấu cắt túi

8 Cầu chuyển để tải hộp rỗng

9 Cơ cấu để đặt gói thành phẩm vào hộp

10, 11 Cơ cấu nén đôi các túi vào các hộp

12 Máy tự động ghép nắp

13 Bộ đảo hộp

14 Máy dán nhãn

d Thông số kỹ thuật:

- Năng suất: 480 gói/h

- Khối lượng một lần định lượng: 0,4 – 0,5 kg

- Phương pháp định lượng: cân

- Độ chính xác định lượng: ± 1% so với liều lượng định mức

6 Sản phẩm

Bảng 8: Thành phần của SCP từ parafin (% khối lượng)

Tiêu chuẩn của sinh khối nấm men thương phẩm dùng cho chăn nuôi như sau

6.1 Chỉ tiêu cảm quan:

- Dạng: bột

- Màu sắc: từ xám sáng hoặc trắng sữa cho đến nâu tối

- Mùi vị: đặc trưng của nấm men không có mùi vị lạ

6.2 Chỉ tiêu hóa học (tính theo %):

- Độ ẩm: không quá 10

- Protein: 58 - 62

- Tro: không quá 14

- Các kim loại từ tính: không quá 0,003 (chì và asen không quá 5mg/kg mỗi chất)

- Các vitamin B1, B2, B5tương ứng không dưới 10, 30 và 300 mg/kg