ĐỒ ÁN CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC SẢN XUẤT B- CAROTENE TỪ CHỦNG NẤM MEN RHO DOTORULA

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & ĐỒ ÁN CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC SẢN XUẤT β- CAROTEN TỪ CHỦNG NẤM MEN Rhotorula Giáo viên hướng

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

&

ĐỒ ÁN CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

SẢN XUẤT β- CAROTEN TỪ CHỦNG

NẤM MEN Rhotorula

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

TRƯƠNG KHÁNH NGỌC 2008180035

TP HCM, tháng 6 năm 2021

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐÊ 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 8

1.1 Tổng quan về β- Caroten 8

1.1.1 Định nghĩa 8

1.1.2 Cơ chế 9

1.1.3 Vai trò 9

1.1.4 Ứng dụng thực tế 10

1.2 Chủng nấm men Rhodotorula 10

1.2.1 Định nghĩa 10

1.2.2 Cấu tạo 12

1.2.3 Phân loại 2

1.2.4 Đặc điểm 2

1.2.5 Cơ chế sinh tổng hợp 3

1.3 Phương pháp sản xuất β- Caroten 4

1.3.1 Một số hình thức nuôi cấy 4

1.3.2 Phương pháp lựa chọn sử dụng 5

1.3.2.1 Môi trường nuôi cấy 5

1.3.2.2 Phương pháp sử sụng 6

1.4 Tình hình thị trường 6

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT 8

2.1 Nguyên vật liệu 8

2.2 Sơ đồ quy trình 9

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 12

3.1 Kế hoạch sản xuất 12

3.2 Cân bằng vật chất cho từng giai đoạn: 12

3.2.1 Quá trình sấy phun -carotene 12

3.2.2 Quá trình lọc màng cô đặc β-carotene 13

3.2.4 Quá trình phá vỡ tế bào nấm men 14

3.2.5 Quá trình ly tâm thu sinh khối nấm men 14

3.2.6 Quá trình lên men 14

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 15

4.1 Thiết bị nhân giống 15

4.2 Thiết bị lên men 15

4.3 Thiết bị ly tâm 19

4.4 Thiết bị phá vỡ tế bào 21

4.5 Thiết bị lọc tiếp tuyến 23

4.6 Thiết bị sấy phun 25

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN KINH TẾ 29

5.1 Vốn cố định 29

5.1.1 Chi phí thiết bị 29

5.1.2 Chi phí lắp đặt 29

5.1.3 Chi phí vận chuyển 30

5.1.4 Chi phí thuê đất 30

5.1.5 Chi phí xây dựng nhà xưởng 30

5.1.6 Tổng vốn cố định 31

5.2 Vốn lưu động 31

5.2.1 Chi phí đầu tư trực tiếp 31

5.2.1.1 Chi phí nguyên liệu 31

5.2.1.2 Chi phí nhiên liệu 32

5.2.1.3 Chi phí lao động 32

5.2.1.4 Chi phí bảo hiểm và phụ cấp 33

5.2.1.5 Tổng chi phí trực tiếp 33

5.2.2 Chi phí đầu tư gián tiếp 33

5.2.2.1 Chi phí bảo trì – bảo dưỡng 33

5.2.2.2 Chi phí bán hàng 33

5.2.2.3 Tổng chi phí sản xuất gián tiếp 34

5.2.2.4 Tổng vốn chưa tính lãi 34

5.2.2.5 Vay vốn ngân hàng 34

5.2.2.6 Khấu hao 34

5.2.2.7 Tổng chi phí đầu tư 1 năm 34

5.3 Giá trị sản phẩm và doanh thu hằng năm 35

5.4 Tính chỉ số NPV 35

5.5 Tóm tắt kết quả 37

CHƯƠNG 6 TÍNH RỦI RO CỦA DỰ ÁN 40

6.1 Đưa ra và đánh gia khả năng xảy ra những rủi ro 40

6.2 Tính toán chi phí tổn thất khi xảy ra rủi ro 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

ĐẶT VẤN ĐÊ

Trong các loại thực phẩm thì ngoài chất lượng và hương vị ra thì màu sắc của sản phẩmcũng là một yếu tố quan trọng trong công cuộc thu hút người tiêu dùng Vì để sản phẩm

có màu sắc bắt mắt và giá thành hợp lý thì việc sử dụng màu tổng hợp hoá học là lựa chọn

ưu tiên cho các doanh nghiệp Nhưng việc sử dụng quá nhiều cũng như lạm dụng các hợpchất màu hoá học dẫn đến một số ảnh hưởng tiêu cực đến sức khoẻ người tiêu dùng Do

để tổng hợp được các hợp chất hoá học với màu sắc bắt mắt này dễ bị nhiễm kim loạinặng nên không phù hợp để con người sử dụng Trên thực tế cũng từng ghi nhận nhiều vụngộ độc thực phẩm bởi các hợp chất gây màu này Một số nghiên cứu cho biết khi sửdụng các chất màu tartrazine (màu vàng chanh), quinoline (màu vàng), brilliant blue(xanh), sunset yellow (vàng), carmoisine (màu đỏ), carmine (màu đỏ son), allura red AC(đỏ) kết hợp với natri benzoat thì sẽ làm cho trẻ hiếu động thái quá Vì vậy, hiện ở cácnước châu Âu khuyến cáo 6 chất phụ gia trên đã bị cấm dùng trong thực phẩm cho trẻ nhỏ

và trẻ dưới 3 tuổi Ngoài ra, một số chất màu có nguy cơ gây dị ứng ở người như brilliantblue (dùng trong chế biến sữa, thạch, xiro, đồ uống, kẹo) hay gây ung thư tuyến giáp nhưerythrosine (sử dụng trong chế biến kẹo, bánh nướng, gia vị, thực phẩm ăn nhẹ) Chấtallura red (sử dụng trong chế biến thực phẩm ăn nhẹ, nước uống không cồn) có thể gây dịứng, hen suyễn, viêm mũi ở người, chứng hiếu động thái quá ở trẻ em Chất tartrazine sửdụng trong chế biến thực phẩm như ngũ cốc, mứt, thực phẩm ăn nhanh, mì gói, súp, bộtnước giải khát, kẹo, bánh có thể gây phản ứng dị ứng và chứng hiếu động thái quá ở trẻem

Hai sản phẩm rất độc hại là tương ớt có phẩm màu sudan và hạt dưa nhuộm phẩm màu

đỏ Rhodamine B độc hại đã được phát hiện trên thị trường nước ta Theo các tài liệu khoahọc thì sudan (từ 1-4) đều là những chất gây ung thư Sudan vào cơ thể sẽ tách các amine

và tạo ra những chất gây đột biến gen tạo ra sự tăng sinh không kiểm soát của tế bào vàgây ung thư Đặc biệt sudan 1 gây nên đột biến gen mạnh dẫn đến tạo thành các khối u áctính Dùng liều cao sudan 1 sẽ gây ra các nốt tăng sinh ở gan được coi là yếu tố tiền ungthư

Một số xu hướng gần đây cũng thúc đẩy việc chuyển đổi sử dụng các hợp chất màu hoáhọc này thành các màu chiết xuất từ tự nhiên như rau củ, trái cây hay các loại lá tự nhiên

an toàn cho sức khoẻ…Nhưng các màu tự nhiên này lại kém bền, lên màu không đều,không đẹp như các hợp chất màu hoá học Hơn nữa, nếu sử dụng màu tự nhiên cho thựcphẩm sản xuất theo quy mô công nghiệp cần một lượng màu rất lớn sẽ gây tổn thất vềkinh tế Vì vậy, sử dụng màu tự nhiên cũng không thể coi như biện pháp tối ưu thay thếmàu hoá học

Do đó, nhóm đồ án xác định hướng nghiên cứu sản xuất hợp chất màu được tổng hợp

bằng phương pháp sinh học “ sản xuất β-caroten từ chủng nấm men rhodotorula” nhằm

thay thế các hợp chất màu hoá học giảm gây độc hại cho người tiêu dùng và đồng thờithay thế nhược điểm của các hợp chất tạo màu có nguồn gốc tự nhiên

Mục tiêu đồ án:

- Xây dựng quy trình sản xuất β- caroten từ chủng nấm men Rhodotorula

- Tạo được hợp chất màu tổng hợp sinh học an toàn thay thế được hợp chất màuhoá học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về β- Caroten

1.1.1 Định nghĩa

Beta-Carotene là một tiền chất retinol (vitamin A) tự nhiên, là một caroten mạch vòngthu được bằng cách dime hóa all-trans-retinol Một sắc tố màu đỏ cam mạnh mẽ có nhiềutrong thực vật và trái cây, đồng thời là chất carotenoid provitamin A hoạt động và quantrọng nhất Có công thức phân tử C40H56, thuộc nhóm carotenoid bao gồm các đơn vịisopren Sự hiện diện của các chuỗi dài liên kết đôi tạo ra beta-carotene với màu sắc cụthể Đây là dạng carotenoid phong phú nhất và là tiền chất của vitamin A Beta-carotenbao gồm hai nhóm retinyl Nó là một chất chống oxy hóa có thể được tìm thấy trong cácloại rau và trái cây có lá màu vàng, cam và xanh Theo FDA, beta-carotene được coi làmột chất được công nhận là an toàn (GRAS) Là một chất chống oxy hóa, beta carotene

ức chế sự phá hủy DNA của các gốc tự do Tác nhân này cũng gây ra sự biệt hóa tế bào vàquá trình tự chết của một số loại tế bào khối u, đặc biệt là trong giai đoạn đầu của quátrình hình thành khối u, và tăng cường hoạt động của hệ thống miễn dịch bằng cách kíchthích giải phóng các tế bào tiêu diệt tự nhiên, tế bào lympho và bạch cầu đơn nhân

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử β- caroten

* Một số đặc điểm hoá lý: β – caroten là tinh thể màu đỏ, nâu đỏ hoặc tím tím hoặc bộtkết tinh (màu sắc thay đổi tùy theo dung môi chiết được sử dụng và điều kiện kết tinh),nhiệt độ sôi: 633-577ºC, nhiệt độ nóng chảy: 176-184ºC, nồng độ hoà tan: 0,0006 g / l ở

25ºC, tan vừa phải trong ete, ete dầu mỏ, dầu; 100 ml hexan hòa tan 109 mg ở 0 ° C; rất ítsôi trong metanol và etanol ; thực tế không có trong nước , axit, kiềm, áp suất hơi:1,8X10-11 mm Hg ở 25 ° C (ước tính), độ ổn định: dễ hấp thụ oxy từ không khí dẫn đếnbất hoạt, không tạo màu[1].

1.1.2 Cơ chế

Beta-carotene hoạt động như một chất thu dọn các gốc ưa béo trong màng của mọingăn tế bào Nó cũng thể hiện sự biến đổi oxy hóa của LDL Sự hiện diện của các chuỗidài liên kết đôi liên hợp chịu trách nhiệm về đặc tính chống oxy hóa của nó bằng cách chophép beta-carotene chelat hóa các gốc không có oxy và làm tiêu tan năng lượng củachúng Các gốc ức chế quá trình peroxy hóa lipid Tác động của beta-carotene trong phảnứng miễn dịch được cho là có liên quan đến tác động trực tiếp lên tuyến ức, làm tăng sảnxuất tế bào miễn dịch[1]

1.1.3 Vai trò

- Cải thiện chức năng của mắt: Beta carotene là một loại carotenoid tiền vitamin A,

hoặc một chất dinh dưỡng mà cơ thể dễ dàng chuyển đổi thành vitamin A Nghiên cứu đãphát hiện ra rằng ăn một chế độ ăn giàu carotenoid, bao gồm cả beta carotene, hỗ trợ sứckhỏe của mắt và ngăn ngừa các bệnh về mắt Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng những người

có lượng carotenoid trong máu cao có thể giảm nguy cơ thoái hóa điểm vàng lên đến35%

Một nghiên cứu của Hàn Quốc đã phát hiện ra mối liên hệ chặt chẽ giữa lượng betacarotene và giảm nguy cơ thoái hóa điểm vàng ở những người hút thuốc

- Cải thiện chức năng nhận thức: Có bằng chứng cho thấy beta carotene, giống như

các chất chống oxy hóa khác, có thể cải thiện trí nhớ và chức năng nhận thức Một đánhgiá của nhiều nghiên cứu cho thấy bổ sung beta carotene lâu dài có tác động tích cực đếnchức năng nhận thức và trí nhớ

- Các chất chống oxy hóa như beta carotene có thể rất hữu ích trong việc giảm các

triệu chứng của bệnh Alzheimer và suy giảm nhận thức liên quan đến tuổi tác

- Bảo vệ da: Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chất chống oxy hóa, bao gồm beta

carotene, có thể giúp duy trì sức khỏe và vẻ ngoài của da, đồng thời có thể bảo vệ dachống lại bức xạ UV từ ánh nắng mặt trời

- Ngăn ngừa ung thư: Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chế độ ăn giàu beta

carotene và các chất chống oxy hóa khác có thể làm giảm nguy cơ mắc một số bệnh ungthư, bao gồm ung thư vú, ung thư phổi và ung thư tuyến tụy

- Cải thiện chức năng phổi: Vitamin A, mà cơ thể tạo ra từ beta carotene, giúp phổi

hoạt động tốt Ngoài ra, những người ăn nhiều thực phẩm có chứa beta carotene có thểgiảm nguy cơ mắc một số loại ung thư, bao gồm cả ung thư phổi Một nghiên cứu năm

2017 với hơn 2.500 người cho rằng ăn trái cây và rau quả giàu carotenoid , chẳng hạn nhưbeta carotene, có tác dụng bảo vệ chống lại ung thư phổi [2]

1.1.4 Ứng dụng thực tế

β – caroten có thể được sử dụng trong nền công nghiệp thực phẩm với công dụng nhưchất tạo màu tự nhiên cho các sản phẩm như nước giải khát, bánh ngọt, kem, các loại sốtchấm…

Ngoài ra, β – caroten cũng có thể được sử dụng trong mỹ phẩm như đồ trang điểm,dưỡng da…

Trong y dược, β – caroten có công dụng như thực phẩm chức năng giúp cải thiện tìnhtrạng sức khoẻ cũng như các cơ quan

1.2 Chủng nấm men Rhodotorula

1.2.1 Định nghĩa

Các loài Rhodotorula là loại nấm men basidiomycetous có sắc tố trong họ

Sporidiobolaceae Chi này chứa 37 loài, trong đó chỉ có 3 loài, bao gồm: R mucilaginosa

(trước đây là R rubra ), R minuta và R glutinis , đã được báo cáo là nguyên nhân gây nhiễm trùng ở người Ba loài mới, không gây bệnh cho người, gần đây đã được mô tả: R.

rosulata , R silvestris và R straminea Rhodotorula là một chi nấm men sắc tố đơn bào,

một phần của phân bộ Basidiomycota Nó có thể dễ dàng nhận biết bằng các khuẩn lạc

màu cam, đỏ đặc biệt khi được nuôi cấy trên SDA ( Sabouraud's Dextrose Agar ) Màu sắcđặc biệt này là kết quả của các sắc tố mà nấm men tạo ra để chặn các bước sóng nhất định(620–750 nm) có thể gây hại cho tế bào

Nấm men Rhodotorula sp còn được gọi là nấm men sinh sắc tố carotenoid

(carotengensis), là một trong rất ít các chi nấm có khả năng tổng hợp tích luỹ một lượnglớn các sắc tố carotenoid trong đó chủ yếu là β – caroten, toruluen, torularhodin

Rhodotorula có mặt phổ biến ở nhiều nơi Nó có thể được nuôi cấy từ đất, nước, sữa,

nước trái cây và không khí Nó có thể loại bỏ các hợp chất nitơ từ môi trường của nó mộtcách đáng kể, phát triển ngay cả trong không khí đã được làm sạch cẩn thận khỏi bất kỳchất gây ô nhiễm nitơ cố định nào Trong điều kiện như vậy, hàm lượng nitơ trong trọng

lượng khô của Rhodotorula có thể giảm xuống thấp nhất là 1%, so với khoảng 14% đối

với hầu hết các vi khuẩn phát triển trong điều kiện bình thường

Theo Lodder (1971), Koneman E.W và Robert (1983), thì Rhodotorula sp thuộc cơ thể

đơn bào của nhóm nấm men không sinh bào tử, không có sợi khuẩn ty hay sợi khuẩn tygiả và là nhóm vi sinh vật ưa ấm, khoảng nhiệt độ hoạt động từ 20-40oC Chúng phân bốrộng rãi ở khắp nơi: trong đất, không khí, trên các vỏ lá cây (táo, dưa hấu, dâu tây, dâmbụt…)

Rhodotorula sp có nhièu hình dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện nuôi cấy và loài

khác nhau Gồm hình trứng, hình dài, hình elip, hình cầu, hình tròn và gậy Các khuẩn lạc

Rhodotorula sp có dạng trơn, không nhăn, bóng sáng hoặc mờ đục, đôi khi gồ ghề, mịn và

nhớt, mép không răng cưa có màu từ kem đến vàng hoặc đỏ Khi quan sát dưới kính hiển

vi tế bào nấm men Rhodotorula có kích thước dao động từ 2 ÷ 5 µm và chiều rộng từ 2,5

÷ 10 µm chiều dài sẽ tuỳ thuộc vào điều kiện nuôi cấy cũng như độ tuổi Không hìnhthành sợi nấm, một só có sinh sợi nấm giả nhưng rất kém phát triển và không hình thànhsợi bào tử túi[3] [4]

Các nghiên cứu chỉ ra rằng, nấm men Rhodotorula sp có hình thái và cấu tạo tế bào

giống với các loài nấm men khác Chúng thực hiện sinh sản bằng hai hình thức nảy chồi

và phân đôi

Hình 1.4 Cấu trúc tế bào nấm men

Bao gồm thành tế bào được cấu tạo từ các thành phần như glucan, manan, protein, lipid

và một số thành phần như litin Màng nguyên sinh của nấm men cũng chứa các hợp chất

phức tạp như protein, phospholipid và enzyme permerase Ở Rhodotorula sp đã có nhân

thật hình bầu dục hoặc cầu Giống như các vi sinh vật khác nhân nấm men chứa protein

và acid nucleid và ở trạng thái lên men nhân tăng 20 -30 lần so với trạng thái hô hấp.Ngoài ra, tế bào nấm men còn chứa các thành phần khác như không bào dùng để chứaproteaes, hạt không bào tham gia vào quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào, ty thểgiúp cung cấp năng lượng cho tế bào, ribozome và volutin[5]

1.2.3 Phân loại

Theo Harrison (1927), nấm men Rhodotorula.sp có phân loại như sau:

Giới Fungi Ngành Basidiomycota Lớp Urediniomycetes

Bộ Sporidiales

Họ Sporidiobolacetes

Giống Rhodotorula

1.2.4 Đặc điểm

* Đặc điểm sinh hoá

Không lên men các loại đường: D-glucose, D-galactose, maltoase, me-D-glucoside,saccharose và nhiều loại đường khác nhưng có sử dụng chúng làm nguồn cacbon cho tếbào

- Tạo enzyme urease

- Đồng hoá DBB (Diazonium Blue B)

- Chứa sắc tố carotenoid

- Không tạo thành hợp chất tinh bột

- Không tạo ra acid acetic

- Không đồng hoá được inositol

* Đặc điểm sinh lý

Quá trình sinh trưởng của Rhodotorula sp cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như

nguồn cacbon, nguồn nitrogen, pH, nhiệt độ, hàm lượng oxy, khoáng, độ ẩm, áp lực, sứccăng bề mặt, tia bức xạ…

- Nhiệt độ nuôi cấy: 4-35oC

- pH: 3,5-6,0

- Nguồn khoáng chất: Mg2+, Mn+, Na+…

1.2.5 Cơ chế sinh tổng hợp

Khả năng hình thành sắc tố carotenoid là một đặc điểm sinh lý quan trọng dùng để

phân loại giống Rhodotorula sp Carotenoid hình thành được kết hợp với màng tế bào và chỉ tồn tại bên trong tế bào Các sắc tố carotenoid ở Rhodotorula sp có khả năng che chở

tế bào

Perrier V Và cộng sự (1995) khi khảo sát thành phần các sắc tố có trong 13 chủng

Rhodotorula sp đã tim thấy từ 1 đến 10 sắc tố thuộc nhóm carotenoid Kết quả của nghiên

cứu này cho thấy sắc tố thuộc nhóm carotenoid Kết quả của nghiên cứu này cho thấy sắc

tố β – caroten luôn hiện diện trong các chủng Rhodotorula sp khảo sát và tác giả cũng đưa

ra kết luận rằng β – caroten là sắc tố chính của Rhodotorula sp.

Trên cơ sở thành quả nghiên cứu của Simpson và Goodwin, Frengova G.I và BeshkovaD.M (2009) đã khái quát được toàn bộ con đường sinh tổng hợp carotenoid ở một số

giống nấm men trong đó có giống Rhodotorula sp đi từ acetyl-CoA Theo đề nghị này, toàn bộ quá trình sinh tổng hợp carotenoid ở nấm men Rhodotorula sp diễn ra theo giai

đoạn như hình bên dưới Đây là giai đoạn tổng hợp carotenoid từ phytoene, phytoeneđược chuyển thành lycopene Lycopene được xem là tiền chất để tổng hợp nên β – caroten

và torulene, sau đó toruluene sẽ tham gia quá trình khử và oxi hoá nhờ sự xúc tác củaenzyme oxidase để hình thành nên torularhodin[23]

Hình 1.5 Quá trình sinh tổng hợp β – caroten,torulene và Torularhodin từ Acetyl CoA

Lên men chìm: là phương pháp được phổ biến rộng nhất trong quy trình lên men côngnghiệp Nuôi cấy chìm hay nuôi cấy bề sâu dùng môi trường dịch thể Chủng vi sinh vậtcấy vào môi trường được phân tán khắp mọi điểm và chung quanh bề mặt tế bào đượctiếp xúc với dịch dinh dưỡng.

*Phương pháp lên men

Lên men gián đoạn: Chủng vi sinh vật và môi trường được cho một lần vào thiết bịthực hiện quá trình lên men đến khi thu sản phẩm Sinh trưởng gắn liền với sự thay đổikéo dài của điều kiện nuôi cấy, sự giảm chất dinh dưỡng và sự tăng khối lượng tế bào.Trong quá trình đó trạng thái sinh lí của tế bào cũng thay đổi Lên men gián đoạn thựchiện theo từng mẻ nên thường có năng suất thấp và chu kỳ sản xuất bị kéo dài

Lên men liên tục: Trong quá trình lên men, nguồn dinh dưỡng đầu vào được bổ sungliên tục và dịch lên men (sinh khối và sản phẩm trao đổi chất) được lấy ra liên tục

1.3.2 Phương pháp lựa chọn sử dụng

1.3.2.1.Môi trường nuôi cấy

Một số nguồn carbon sử dụng: glucose, acetate, fructose, citrate, succinate, benzoate.Một số nguồn nitơ sử dụng: (NH4)2SO4, peptone, NH4NO3, KNO3, NaNO3 vàCa(NO3)2.4H2O

Để nấm men sinh tổng hợp β – caroten với hàm lượng cao, ta sử dụng phụ phẩm củacông nghệ sản xuất bơ sữa – whey là nguồn chất dinh dưỡng

Môi trường nuôi cấy:

Bảng 1.1 Thành phần môi trường nuôi cấy Rhodotorula[6]

MgSO4 0.34 g/L

(*)Whey là phần dịch màu trong quá trình động tụ protein trong sản xuất phô mai, đây

là phụ phẩm của công nghệ sản xuất bơ sữa Sản phẩm có màu vàng, lục hoặc đôi khi làmàu xanh nhạt, màu sắc của whey phụ thuộc vào chất lượng của nguồn sữa

Whey có những hợp chất dinh dưỡng đầy đủ để làm nguồn cơ chất cho các quá trìnhlên men như nguồn Carbon (lactose, glucose), phosphorus, protein hòa tan, nitrogen, vàcác vitamin

1.3.2.2.Phương pháp sử dụng.

Nuôi cấy bán rắn có những điểm vượt trội so với lên men trên môi trường lỏng: nồng

độ cơ chất cao hơn, giảm năng lượng và lượng nước sản xuất cũng như nước thải, vốn đầu

tư thấp Mặc dù lên men bán rắn có nhiều ưu điểm, lợi ích về mặt kinh tế và môi trườngnhưng việc ứng dụng chúng trong thực phẩm và sinh học vẫn còn nhiều hạn chế so vớilên men lỏng: sự phối trộn đồng nhất về sinh khối vi sinh vật, và sự phân bố nhiệt,… Vìsản phẩm thu nhận là sản phẩm nội bào nên việc kéo pha cân bằng ở nấm men rất cónghĩa, giúp sinh tổng hợp β-carotene ở mức tối đa[4]

Nhóm chọn hình thức lên men chìm gián đoạn có bổ sung cơ chất (bổ sung cơ chất sau

72 giờ lên men)

1.4 Tình hình thị trường

Nhu cầu về β- Caroten hiện nay:

Do cuộc sống hiện đại ngày nay ngày càng tiến bộ kéo theo nhịp sống con người trởnên nhanh hơn do đó việc cung cấp đủ chất cho cơ thể trở thành vẫn đề đáng quan tâmhơn kể Việc không có thời gian ăn uống nên phải bổ sung các chất dinh dưỡng cũng nhưcác loại vitamin cần thiết cho cơ thể hoạt động trở nên cấp thiết hơn

Nhu cầu về β – caroten trên Thế giới ngày càng cao mà β – caroten trên thị trường chủyếu được tổng hợp theo phương pháp hoá học nên việc cải tiến phương pháp tổng hợp từ

hoá học sang tổng hợp sinh học, cụ thể là tổng hợp từ chủng nấm men Rhodotorula sp có

thể góp phần đáp ứng nhu cầu tiêu thụ cũng như đảm bảo an toàn với con người hơn cácphương pháp hoá học

Ở Việt Nam hiện nay, phương pháp sản xuất β – caroten đã được nghiên cứu và pháttriển từ lâu nhưng vận dụng vào sản xuất tiêu thụ vẫn chưa thực hiện nhiều Phần lớn β –caroten trên thị trường Việt Nam đều được nhập khẩu từ các công ty nước ngoài Vì vậy,việc phát triển sản xuất β – caroten sử dụng làm màu sinh học cho các nhành công nghiệpthực phẩm hay mỹ phẩm có thể đánh dấu bước tiến mới trong ngành Công nghệ sinh họcnước ta

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT2.1 Nguyên vật liệu

Giống vi sinh vật: chủng Rhodotorula sp.(được bảo quản trong ống Malt Agar nghiêng

ở 4°C trong bống tối)

Môi trường nuôi cấy

Môi trường nhân giống:

Bảng 2.1 Thành phần môi trường nhân giống chủng Rhodotorula sp[6]

Môi trường lên men:

Bảng 2.2 Thành phần môi trường lên men chủng Rhodotorula sp[7]

Hình 2 Sơ đồ quy trình sản xuất β - carotene

Thuyết minh quy trình:

Xử lý Whey

Whey sau khi thu nhận từ nhà máy sản xuất sữa, tiến hành khử protein trong có bêntrong whey Whey được acid hóa bằng H2SO4 0,1 mol/L cho đến khi pH đạt 4,6, sau đótủa protein bằng cách đun sôi trong 20 phút và ly tâm ở 5000 rpm trong phút để loại bỏprotein trong whey

Lọc màng cô đặcPhá vỡ tế bào

β - carotene

Whey trước khi đưa vào quá trình nuôi cấy được đều chỉnh pH thành trung tính bằngNaOH 1 mol/L Bước cuối cùng trong giai đoạn xử lý whey là sấy đông khô sản phẩmnhằm để dễ dàng bảo quản và di chuyển nguyên liệu.

Hoạt hóa và nhân giống

Giống được bảo quản trên ống thạch nghiêng ở 4°C trong bóng tối, cây chuyển sangống nghiệm có chứa 10 ml môi trường nhân giống đã thanh trùng

Tiến hành nuôi ở 28°C trong 24 giờ trong máy lắc ở 120 vòng/phút với điều kiện chiếusáng liên tục

Sau đó, tiếp tục cấy sang các bình tâm giác và thiết bị lớn hơn, với tỷ lệ cấy chuyến là1:10, cùng điều kiện nuôi cấy trên

Cho đến khi được 150 lít thì dừng quá trình nhân giống, chuyển lượng sinh khối sanglên men công nghiệp

Lên men

Tiến hành lên men qui mô công nghiệp với tỷ lệ cấy giống là 15%

Chuyển lượng sinh khối đã nhân giống vào bể lên men 1200 lít có cánh khuấy

(150-200 phút-1) cùng bộ phận sục khí (6 L khí/phút) và chiếu sáng liên tục

Kiểm soát quá trình lên men ở pH=5-6, nhiệt độ 28°C trong 72 giờ

Sau 72 giờ, lượng dinh dưỡng trong bể lên men giảm đáng kể Đây là thời điểm cungcấp thêm vào chất dinh dưỡng để nấm men tiếp tục sinh tổng hợp Bổ sung whey đã xử lývới nồng độ 7 g/L làm nguồn chất dinh dưỡng

Ly tâm

Dịch lên men lấy ra từ bể tiến hành ly tâm, tâm ly thực hiện ở tốc độ 3000 rpm trong

30 phút nhằm thu nhận sinh khối nấm men

Tất cả sinh khối thu được chuyển sang giại đoạn tiếp theo

Tâm ly thực hiện ở tốc độ 3000 rpm trong 30 phút, mục đích nhằm làm giảm ảnhhưởng của tế bào với sản phẩm thu nhận.

Lọc màng

Dịch màu sau khi ly tâm lần 2 được đưa thiết bị lọc nhằm bỏ loại nước trong dịchQuá trình này sẽ làm giảm được lượng nước đáng kể, tạo điều kiện thuận lợi cho quátrình sấy tiếp theo

Sấy

Đưa toàn bộ dịch trên vào thiết bị sấy

Quá trình sấy sẽ tách loại nước ra khỏi sản phẩm, chuyển nguyên liệu sang dạng rắn,làm giảm khối lượng vật liệu, tăng độ bền và bảo quản sản quản được lâu hơn[7]

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT3.1 Kế hoạch sản xuất.

Một năm có 365 ngày trong đó trừ các ngày lễ (15 ngày) và thời gian bảo trì máy móc(20 ngày)

Thời gian làm việc thực tế: Tlàm việc =365 – (15 + 20) = 330 (ngày)

Thời gian lên men là 3 ngày (72h) [7] và thời gian nghỉ giữa mẻ là 1 ngày:

Với năng suất của nhà máy là 200 tấn/năm

3.2 Cân bằng vật chất cho từng giai đoạn:

Dựa vào tài liệu tham khảo, giả thiết tỉ lệ hao hụt ở các quá trình thu nhận như sau:

Bảng 3 Tỉ lệ hao hụt của các quá trình thu nhận

3.2.1 Quá trình sấy phun -carotene

Khối lượng β-carotene thu được trong một mẻ: 2410 kg

Vậy khối lượng β-carotene khô sau khi sấy: msau sấy = 2410kg

Giả sử: Độ ẩm của sản phẩm trước khi vào thiết bị sấy: x1= 70%

Độ ẩm cân bằng của sản phẩm ra khỏi thiết bị sấy : x2= 3% [29]

Khối lượng ẩm tách ra khỏi sản phẩm (W):

kg

Khối lượng riêng β-carotene: = 940 (kg/m3)

Thể tích β-carotene cần sấy: m3

Khối lượng riêng của nước: = 1000 (kg/m3)

Thể tích nước thoát ra khỏi quá trình sấy: = 5,382 m3

Thể tích 1 mẻ đi vào thiết bị sấy phun:

= 7,946 m3

Với tỉ lệ hao hụt trong quá trình sấy phun là 2%

Thể tích thực tế cần cho 1 mẻ đi vào thiết bị sấy phun:

m3

Khối lượng β-carotene thực tế cần trong quá trình sấy:

2459,18 kg

Vậy: để thu được 2410kg sản phẩm cần 8,108 m3 dịch chứa 2459,18kg

β-carotene đi vào quá trình sấy phun

3.2.2 Quá trình lọc màng cô đặc β-carotene

Để thu được 8,108 m3 dịch chứa 2459,18kg β-carotene từ quá trình lọc với tỉ lệ hao hụt

là 7% thì:

Thể tích thực tế cần đi vào cho quá trình lọc: m3

Khối lượng β-carotene cho quá trình lọc: kg

3.2.3 Quá trình ly tâm thu dịch

Để thu được 8,718 m3 dịch chứa 2644,28 kg β-carotenetừ quá trình ly tâm với tỉ lệ hao

là 5% thì:

Thể tích đi vào quá trình ly tâm: m3

Khối lượng β-carotene trong quá trình ly tâm:

2783,45 kg

3.2.4 Quá trình phá vỡ tế bào nấm men

Tỉ lệ tạo β-carotene từ sinh khối nấm men: 1,012 (gβ-carotene /gsinh khối khô) [7]

Để thu nhận 9,177 m3 dịch chứa 2783,45 kg β-carotene, lượng sinh khối nấm men cầnphải phá vỡ là:

kg

Khối lượng sinh khối nấm men thực tế cần phá vỡ:

kg

3.2.5 Quá trình ly tâm thu sinh khối nấm men

Tỉ lệ hao hụt trong quá trình ly tâm thu sinh khối nấm men là 5%

Khối lượng sinh khối đi vào quá trình ly tâm:

kg

3.2.6 Quá trình lên men

Nồng độ sinh khối của nấm men Rhodotorula: X72h = 9.06 1.58 g/L [7]

Để sản xuất 3446,67 kg sinh khối nấm men tạo thành, thể tích làm việc tương ứng:

Tỉ lệ hao hụt trong quá trình lên men là 8%

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ4.1 Thiết bị nhân giống

4.1.1 Nhân giống cấp 2

Tỷ lệ cấy giống là 5% => Vc2 = 5% Vlm = 5% x 401511 ≈ 20 076 (L)

Với hệ số chứa đầy k = 0,65 [28]

Từ những thông số trên, lựa chọn 3 thiết bị GLFJ -10 000 với thể tích thiết bị là

10 000 lít = 10 m3 , có công suất động cơ là 11 kW và 1 thiết bị GLFJ -5 000 với thểtích thiết bị là 5 000 lít = 5 m3, có công suất động cơ là 7.5 kW

4.1.2 Nhân giống cấp 1

Tỷ lệ cấy giống là 10% => Vc1 = 10% Vc2 = 10% x 20 076 ≈ 2 008 (L)

Với hệ số chứa đầy k = 0,65 [28]

Từ những thông số trên, lựa chọn 2 thiết bị GLFJ -2 000 với thể tích thiết bị là

2 000 lít = 2 m3 , có công suất động cơ là 4 kW

Hình 4.1 Thiết bị nhân giống GLFJ

4.2 Thiết bị lên men

Với thể tích bể lên men là 402 m3, với thể tích này khó có thể thiết kế và xây dựng nên

ta sẽ chia ra thành nhiều bể hoạt động cùng lúc

Chọn 44 bể lên men cùng lúc

VLM* = = 9,2 (m3)Với hệ số chứa đầy k = 0,65 [28]

Vtbi LM* = ≈ 14 (m3)Yêu cầu tỉ lệ đường kính thiết bị và chiều cao thiết bị:

H ≥ 2D, chọn giá trị 2, nghĩa là H = 2D

Ta có: Vtbi LM* = H ×

→ 14 = 2D ×

→ D = 3,1 (m) => H = 6,2 (m)

Bảng 4.1 Thông số thiết bị lên men

Thông số thiết bị Giá trị tính toán

Thể tích dịch lên men VLM* 9,2 m3

Thể tích bể lên men Vtbi LM* 14 m3

Đường kính thiết bị D 3,1 mChiều cao thiết bị H 6,2 m

Khoảng cách giữa các cách khuấy

Để đảm bảo các cánh khuấy đủ không gian hoạt động, người ta đã thiết lập được côngthức khoảng cách tối ưu giữa các cánh khuấy xấp xỉ đường kính cánh khuấy

b = dck = 0,93 m