MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1 1 Tổng quan về enzyme pectin methylesterase (PME) 1 1 1 Giới thiệu về enzyme pectin methylesterase 1 1 2 Phân loại 1 1 3 Đặc điểm 1 1 4 Cơ chế tác dụng 2 1 5 Ứn.
TỔNG QUAN
Tổng quan về enzyme pectin methylesterase (PME)
1.1 Giới thiệu về enzyme pectin methylesterase
Pectin methylesterase (EC 3.1.1.11) là một enzyme thủy phân metyl este được sản xuất bởi thực vật, nấm và vi khuẩn, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, bao gồm rượu vang và nước trái cây Enzyme này xúc tác các phản ứng khử este hóa thông qua việc chuyển đổi các nhóm C6 cacboxyl trong phức pectin-PME thành nước, làm thay đổi mức độ và mô hình este hóa metyl Quá trình này cũng dẫn đến việc chuyển đổi các nhóm C6 cacboxyl thành hydroxyl của các phân tử pectin khác, tạo ra pectin trọng lượng phân tử cao với các liên kết este không metoxy mới.
Nhiều đồng dạng pectin methylesterase (PME) với sự khác biệt về phân tử trọng lượng, pI và hoạt động sinh hóa đã được phát hiện ở các thực vật bậc cao và một số loại nấm, vi khuẩn gây bệnh Một nghiên cứu cho thấy PME cơ bản, dạng đồng phân của B3a, được mã hóa bởi LuPME3 từ cây lanh (Linum usitatissimum), đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của rễ cây lanh Pectin methylesterase thuộc nhóm 8 (CE-8) của esterase carbohydrate (Kohli et al., 2015).
PME (pectin methylesterase) là enzyme có kích thước trung bình với phân tử khối khoảng 25 ÷ 54 kDa, có điểm đẳng điện khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc, từ 3.1 ở nấm mốc đến 11 đối với PME cà chua Hầu hết PME từ thực vật có pI từ trung tính đến kiềm, với một số ít có tính acid Cà chua chứa ít nhất hai loại PE, PE1 và PE2, trong đó PE1 giảm khi quả chín, trong khi PE2 tích lũy đến khi quả có màu chín, với khối lượng phân tử 23 kDa và pH tối ưu 7.6 Enzyme PE2 bị bất hoạt 50% sau 5 phút ở 67°C, và hoạt độ tối đa đạt được với ion Ca2+ và Na+ ở nồng độ 0.005 M và 0.05 M Trong quả cam, có hai isoenzyme PE1 và PE2 với khối lượng phân tử 36 kDa, điểm đẳng điện lần lượt là 10.05 và >= 11.0, với pH tối ưu 7.6 cho PE1 và 8.0 cho PE2.
Enzyme từ vi sinh vật: tất cả các enzyme vi sinh vật không phải là protein kiềm
PE của Aspergillus có điểm đẳng điện và pH tối ưu trong môi trường acid Enzyme PE do Aspergillus niger sản sinh hoạt động tối đa ở pH 4.5 và nhiệt độ 40 độ C.
Alkaline and acidic conditions can methylate pectin in similar ways Alkaline pectin results in esterified pectin that forms weak gels with calcium ions, while acidic pectin produces highly esterified pectin capable of forming strong gels with calcium ions (Nguyễn Đức Lượng et al., 2010).
Vách tế bào thực vật có cấu trúc phức tạp, quyết định kích thước và hình dạng của tế bào, liên quan đến sự tăng trưởng và phát triển Thành phần chính của vách tế bào bao gồm polysaccharides như cellulose, hemicelluloses và pectin, trong đó pectin chiếm khoảng 35% trọng lượng khô của thành tế bào Pectin có vai trò quan trọng trong việc liên kết các tế bào, do đó, khi sản xuất nước dịch quả, hàm lượng pectin cao có thể làm nước dịch quả trở nên đục và nhớt, ảnh hưởng đến quy trình sản xuất Việc bổ sung enzyme vào khối thịt quả nghiền giúp tăng hiệu suất thu hồi dịch quả, đồng thời, sự phân hủy một phần tế bào nhờ enzyme cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách chiết các chất màu và chất thơm, góp phần cải thiện chất lượng cảm quan của dịch quả.
Enzyme pectin methylesterase xúc tác quá trình thủy phân các nhóm methyl ester, thường tấn công vào các nhóm ester methyl của đơn vị galacturonate bên cạnh các đơn vị không bị ester hóa Quá trình này dẫn đến việc phân cắt các nhóm methoxy (COOCH3) kề cận với các nhóm –COOH tự do, tạo ra acid pectinic hoặc acid pectic cùng với methanol Đặc biệt, hoạt tính của pectinesterase thường được kích hoạt bởi các ion Ca2+ và Mg2+ (Nguyễn Đức Lượng và cs, 2010).
Pectinesterase đóng vai trò quan trọng trong việc làm trong dịch quả trước khi lên men rượu vang và chế biến nước quả Việc sử dụng enzyme này mang lại hiệu quả làm trong cao, vượt trội hơn so với các phương pháp hóa-lý truyền thống như lắng lọc tự nhiên, vốn kém hiệu quả, dễ nhiễm khuẩn và tốn thời gian (Nighojkar, Patidar).
Cải thiện cấu trúc của sản phẩm rau quả đóng hộp và muối chua là yếu tố quan trọng, trong đó tính giòn và độ cứng chắc được xem là chỉ tiêu cảm quan hàng đầu Để đạt được điều này, nguyên liệu thường được tiền xử lý bằng cách chần ở nhiệt độ thấp từ 45-55°C và ngâm với canxiclorua Quá trình chần ở nhiệt độ thấp và thời gian dài kích thích enzyme PME, giúp phân cắt nhóm methoxyl của pectin, tạo ra methanol và tạo điều kiện cho pectin liên kết với ion Ca2+, từ đó hình thành cấu trúc mong muốn.
Tổng quan về Aspergillus niger
2.1 Giới thiệu về Aspergillus niger
Aspergillus niger is a species of fungus belonging to the Ascomycetes class, Plectascales order, and Aspergillaceae family This mold reproduces asexually by forming fruiting bodies or conidiophores The conidia are clusters of hyphae that originate from a single large cell, with the fruiting bodies swelling at the top to form a spherical shape.
Túi định là cấu trúc có hình bầu dục, từ đó phát triển nhiều mầm nhỏ gọi là thể bình Các mầm này mọc ra khắp mọi hướng, và ở phần cuối của chúng là các bào tử đính.
Aspergillus niger là một loại nấm có bào tử đính màu vàng, có khả năng tổng hợp nhiều enzyme thủy phân ngoại bào như amylase, protease, pectinase, lipase, xylanase, cellulase, catalase, phytase và glucose oxidase (Ly Nguyen, 2004) Khi quan sát bằng mắt thường, nấm có màu đen do bào tử đính màu đen, nhưng dưới kính hiển vi với độ phóng đại thấp, chúng có màu nâu Nấm có hai bộ cuống đính bào tử và tạo bào tử đính màu nâu hơi đen với các gai Bọng và sợi cuống thường có màu nâu bóng.
Nguồn (Gustavo, Fabio, Harumi, & Vijay, 2004)
Cấu trúc vi thể của Aspergillus niger bao gồm bào tử dính dài, trơn, không màu hoặc nâu, thể bình hai đáy và túi nấm tròn đầu xòe Nấm này sản sinh bào tử dính mà không có túi bao bọc Cơ thể nấm có dạng sợi, được gọi là khuẩn ty hay sợi nấm (hypha), nhiều sợi (lypha), và kết hợp thành hệ sợi nấm (mycelium) Khuẩn ty của nấm chỉ tăng trưởng ở ngọn và có vách ngăn, bao gồm hai loại khác nhau.
− Khuẩn ty dinh dưỡng: khuẩn ty phát triển trong cơ chất, có kích thước nhỏ, màu
Các khuẩn ty kết hợp chặt chẽ, tạo thành một khối dai và ăn sâu vào môi trường nuôi cấy để hấp thụ dưỡng chất Khi già, hệ sợi chuyển sang màu vàng.
Khuẩn ty sinh sản là loại vi sinh vật phát triển trong không khí, có kích thước lớn hơn nhiều so với khuẩn ty dinh dưỡng và có hình dạng trong suốt Chúng hướng về phía không khí để lấy oxy và có khả năng tạo bào tử khi già Khi trưởng thành, hệ sợi của khuẩn ty sinh sản có nhiều biến đổi, trong đó một số khuẩn ty dinh dưỡng hình thành các hạch nấm khiến hệ sợi chuyển sang màu vàng, trong khi khuẩn ty sinh sản tạo ra bào tử đính, làm cho bề mặt khuẩn lạc có màu đen Thành phần hóa học chính của thành khuẩn ty nấm là chitin và glucan (Trúc & Mười, 2015).
Aspergillus niger, thường được gọi là “nấm cúc” do hình dạng cơ quan sinh sản giống hoa cúc, có cuống bào tử trơn nhẵn, trong suốt hoặc nâu hạt Phần đầu cuống bào tử phình to, tạo thành bọng lớn hình cầu, được gọi là bọng đỉnh giá hình cầu (vesicle) Trên bọng này, các thể bình phát triển, là nơi tạo ra bào tử đính (conidi), và từ ngọn thể bình, các chuỗi bào tử đính (conidia) được sinh ra.
Aspergllus niger có thể sinh sản theo hai hình thức chính:
Sinh sản sinh dưỡng là quá trình mà từ một đoạn khuẩn ty riêng lẻ có thể phát triển thành hệ sợi nấm Khuẩn ty của nấm mốc có khả năng tồn tại trong bụi và không khí, di chuyển khắp nơi Khi gặp điều kiện thuận lợi, chúng sẽ nhanh chóng phát triển thành khuẩn lạc mới.
Aspergillus niger sinh sản vô tính thông qua bào tử trần (conidium), chủ yếu là các bào tử ngoại sinh được hình thành bên ngoài tế bào sinh bào tử Những bào tử này được sản xuất trực tiếp trên khuẩn ty hoặc đặc biệt là trên cuống bào tử trần (conidiophone).
Aspergillus niger efficiently metabolizes various sugars, including glucose, fructose, saccharose, and mannose It demonstrates a good level of assimilation for sorbose and galactose, while its ability to metabolize lactose is moderate.
Aspergillus niger có khả năng sử dụng ure làm nguồn dinh dưỡng nitơ và điều chỉnh pH Dưới tác động của enzyme urease, ure được phân hủy thành CO2.
NH3 là thành phần trung tâm trong con đường dinh dưỡng nitơ của vi sinh vật, đặc biệt là Aspergillus niger, khi chúng đồng hóa các muối amon Việc sử dụng nguồn nitơ hữu cơ, urease và các muối amon liên quan đến quá trình tách NH3 ra và hấp thụ vào cơ thể.
Phospho là nguồn dinh dưỡng khoáng quan trọng, ảnh hưởng lớn đến quá trình trao đổi chất trong tế bào vi sinh vật Sự thay đổi nồng độ các hợp chất phospho trong môi trường sẽ dẫn đến biến đổi trong tổng hợp các thành phần tế bào chứa phospho, bao gồm tế bào và chất nhân Hơn nữa, phospho trong môi trường còn điều chỉnh hoạt tính của hệ enzyme đồng hóa các loại thức ăn cacbon.
Khả năng sinh tổng hợp enzyme: có khả năng sinh các enzyme như amylase,
5 protease, peptinase, và đặc biệt là hệ enzyme cellulase
Aspergillus niger là một loại nấm mốc được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp để sản xuất các chế phẩm sinh học như acid hữu cơ, enzyme và protein Việc ứng dụng Aspergillus niger không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn mang lại giá trị kinh tế cao trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong chăn nuôi, việc sử dụng enzyme từ quá trình lên men trong thức ăn giúp cải thiện khả năng tiêu hóa của vật nuôi, tăng cường sức đề kháng và nâng cao năng suất Nhờ đó, vật nuôi phát triển tốt hơn, tăng trọng nhanh hơn và mang lại lợi nhuận kinh tế cao hơn.
Thu nhận enzyme pectin methylesterase
3.1 Vai trò của việc thu nhận enzyme methylesterase từ nấm mốc
Enzyme là các chất xúc tác sinh học quan trọng, có mặt rộng rãi trong cơ thể sống Việc sản xuất enzyme bằng phương pháp hóa học với quy mô lớn gặp nhiều khó khăn và tốn kém, do đó, việc thu nhận enzyme từ các nguồn sinh học trở thành giải pháp phổ biến.
Enzyme pectin methylesterase (PME) có thể được thu nhận từ hai nguồn chính là thực vật và vi sinh vật PME có mặt trong hầu hết các loại cây ăn trái với hàm lượng khác nhau, và việc ly trích enzyme này đã được thực hiện trên nhiều loại quả như cà chua, cà rốt và bơ Đặc biệt, PME từ vỏ cam đã được tinh sạch và sản xuất thương mại Tuy nhiên, việc thu nhận PME từ thực vật vẫn gặp nhiều khó khăn, khiến cho việc sản xuất các chế phẩm enzyme với quy mô lớn trở nên hạn chế do một số nhược điểm nhất định.
- Chu kỳ sinh trưởng của thực vật khá dài
- Nguồn nguyên liệu này không cải tạo được
- Nhiều nguyên liệu dùng làm thực phẩm, không có tính kinh tế khi sử dụng làm nguồn ly trích enzyme thương mại (Nguyễn Đức Lượng và cs, 2004)
Việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất enzyme là giải pháp khả thi nhờ vào chu kỳ sinh trưởng ngắn (16 – 100 giờ) và tốc độ sinh sản nhanh Hệ enzyme vi sinh vật rất phong phú, với khả năng tổng hợp nhiều loại enzyme mà động thực vật không thể sản xuất Nguyên liệu nuôi vi sinh vật dễ tìm và giá rẻ, thường phát triển trên các môi trường đơn giản như phế liệu sản xuất Ngoài ra, vi sinh vật có thể được nuôi bằng nguyên liệu không phải thực phẩm và dung dịch muối vô cơ, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả kinh tế Mặc dù nhiều giống nấm mốc và vi khuẩn có khả năng tổng hợp enzyme PME, Aspergillus niger là nguồn chủ yếu.
Aspergillus niger là một lựa chọn hàng đầu nhờ vào đặc tính an toàn (GRAS) và khả năng phát triển, phân lập dễ dàng Việc thu nhận enzyme pectinase, đặc biệt là PME, từ loài nấm này cũng diễn ra thuận lợi.
Quá trình sinh tổng hợp enzyme PME từ nấm mốc Aspergillus niger đang được chú trọng do hoạt tính cao của enzyme này Hiệu quả của quá trình lên men sinh PME và các enzyme khác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chủng vi sinh vật, thành phần cơ chất, vi chất dinh dưỡng và điều kiện lên men Việc lựa chọn chủng vi sinh vật có hoạt tính PME cao là quan trọng, trong khi thành phần cơ chất và điều kiện lên men đóng vai trò quyết định đến hiệu quả nuôi cấy và sinh tổng hợp enzyme mong muốn.
3.2 Ảnh hưởng của phương pháp lên men đến hiệu quả sinh Aspergillus niger
Việc nuôi cấy Aspergillus niger để thu nhận PME có thể thực hiện qua hai phương pháp lên men chính: lên men bề mặt trên môi trường rắn (SSF) và lên men bề mặt trên môi trường lỏng (SmF).
Nghiên cứu cho thấy phương pháp SSF (Solid State Fermentation) mang lại enzyme với hoạt tính cao hơn so với phương pháp SmF (Submerged Fermentation) khi so sánh cùng chủng vi sinh vật và cơ chất lên men (Rexová-Benková, Markoviĉ, & biochemistry, 1976).
3.2.1 Lên men bề mặt ở trạng thái rắn (SSF)
Thuật ngữ "lên men trạng thái rắn" (SSF) đề cập đến quá trình sử dụng nguyên liệu không hòa tan trong nước làm môi trường cho sự phát triển của vi sinh vật Trong phương pháp này, hàm lượng nước không được vượt quá độ bão hòa của môi trường rắn, nơi vi sinh vật sinh trưởng Mặc dù nước là yếu tố cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật, nhưng trong SSF, nước chỉ có mặt với một lượng nhỏ được cơ chất hấp thu Kết quả thu được sau quá trình lên men là chế phẩm ở dạng rắn và thô.
3.2.2 Lên men bề mặt ở trạng thái lỏng (SmF)
Hệ thống lên men trạng thái lỏng (SmF) được áp dụng phổ biến trong sản xuất nguyên liệu có giá trị cao và nghiên cứu sinh hóa trong quá trình tổng hợp chất chuyển hóa vi sinh vật Enzyme thu được sau quá trình nuôi cấy trong canh trường lỏng ở dạng thô (Rao et al, 1999).
Sự khác biệt chính giữa quá trình lên men SmF và SSF nằm ở độ ẩm của môi trường Môi trường lên men lỏng có độ hoạt động nước cao, dẫn đến nguy cơ gia tăng nhiễm vi sinh vật không mong muốn.
3.3 Ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến hiệu quả sinh tổng hợp PME Những yếu tố chính có ảnh hưởng đến sự tổng hợp vi sinh vật của enzyme trong hệ thống lên men bao gồm: sự chọn lọc của cơ chất thích hợp và chủng vi sinh vật, quá trình tiền xử lý cơ chất, nhiệt độ ủ và thời gian lên men Đặc biệt, trong quá trình nuôi cấy trong môi trường rắn, kích cỡ của cơ chất (khoảng trống giữa các hạt và diện tích bề mặt tiếp xúc), hàm lượng nước và aw của cơ chất, độ ẩm của môi trường nuôi cấy, tốc độ tiêu thụ oxygen là những yếu tố chi phối mạnh đến quá trình sinh tổng hợp enzyme nói chung và enzyme PME nói riêng Việc
Bảy phương pháp đo lường hoạt tính đã chỉ ra sự khác biệt rõ rệt giữa các loại PME được thu thập từ các điều kiện nuôi cấy khác nhau hoặc ở các giai đoạn phát triển khác nhau của PME (Bordenave & Goldberg, 1993).
Trong quá trình lên men lỏng (SmF), độ ẩm không quyết định hiệu quả sinh enzyme, trong khi ở điều kiện lên men trạng thái rắn, vi sinh vật phát triển và sản xuất sản phẩm gần bề mặt cơ chất rắn với hàm lượng ẩm thấp Việc cung cấp nước tối ưu và kiểm tra độ hoạt động của nước (aw) là cần thiết, vì lượng ẩm quá cao hoặc quá thấp đều ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của vi sinh vật Hơn nữa, nước còn tác động sâu sắc đến các tính chất hóa lý của chất rắn, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất của toàn bộ quá trình nuôi cấy.
Trong sản xuất, độ ẩm tối ưu của môi trường là 58 ÷ 60% và cần duy trì ổn định trong suốt quá trình nuôi Độ ẩm vượt quá 70% sẽ giảm độ thoáng khí, trong khi độ ẩm dưới 50-55% sẽ cản trở sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật cũng như enzyme (Pandey et al., 2000).
Khi nuôi cấy bằng phương pháp bề mặt, pH môi trường thường ổn định nhờ vào dung dịch đệm cao và hàm ẩm thấp, nhưng giá trị pH ban đầu lại ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của nấm mốc và sự tạo thành enzyme Sự thay đổi pH về phía acid hoặc kiềm không ảnh hưởng đến sinh khối nhưng kìm hãm sự tạo thành enzyme pectinase, với pH tối ưu cho enzyme vi sinh nằm trong khoảng 4.5-5.5 Tuy nhiên, giá trị pH tối ưu có thể khác nhau tùy thuộc vào từng enzyme, loại cơ chất và chủng nấm mốc, do đó cần xác định điều kiện pH ban đầu để tối ưu hóa hiệu quả thu nhận enzyme Nhiệt độ nuôi cấy lý tưởng dao động từ 25-40°C, trong đó 28-30°C là tối ưu cho sản xuất pectinesterase Thời gian lên men trong môi trường lỏng thường từ 48 đến 72 giờ, trong khi quá trình lên men rắn kéo dài từ 4 đến 6 ngày.
Các kết quả nghiên cứu liên quan
Việc trích xuất và tinh chế PME từ nguồn gốc thực vật, nấm mốc và vi khuẩn đã được thực hiện và áp dụng rộng rãi trên toàn cầu Nhiều loại PME từ trái cây như cà chua (Giovane et al., 2004), cam (Macdonald et al., 1945), táo (Denès, Baron, Drilleau, & Agriculture, 2000), dâu tây và chuối (Ly Nguyen, 2004) đã được nghiên cứu về hình thức tồn tại và các đặc tính của chúng PME đã được phân lập thành công từ các nguồn này.
Nghiên cứu về việc lên men Aspergillus, đặc biệt là Aspergillus niger, đã được thực hiện chi tiết với cả hai phương thức lên men nổi và lên men lỏng trên nhiều loại cơ chất khác nhau (Joshi et al., 2006) Tỷ lệ pha loãng cơ chất với nước để tạo độ ẩm cho quá trình lên men sinh PME cũng được khảo sát, trong đó tỷ lệ 1:3 là tối ưu cho lên men rắn (SSF) và 1:6 cho lên men chìm (Joshi et al., 2005) Kết quả cho thấy PME sản xuất trong môi trường rắn có hoạt tính cao hơn 2,3 lần so với lên men lỏng với các thông số tối ưu Ngoài ra, Trần Thanh Trúc và cộng sự cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của loại môi trường lên men khác nhau đến hiệu quả sinh PME từ nấm mốc.
Năm 2009, nghiên cứu đã chỉ ra rằng môi trường nuôi cấy A.niger gồm hỗn hợp bột cám, bột mì, gạo lức, bã táo và vỏ cam cho kết quả PME cao nhất khi sử dụng bã táo, gấp 5,1 lần so với các môi trường khác Giovane (2004) cũng đã nghiên cứu sản xuất enzyme thủy phân từ A.awamori với cơ chất lêm men là hỗn hợp bã nho và vỏ cam theo tỷ lệ 1:1 (w/v) Tóm lại, thành phần cơ chất giàu pectin và điều kiện môi trường là yếu tố quyết định hiệu quả sản xuất PME từ vi sinh vật, trong đó hạt hướng dương chứa 21,36% pectin.
Năm 2006, Jayani et al đã xác nhận tính khả thi của việc sử dụng hạt hướng dương trong sản xuất PME từ Aspergillus niger, áp dụng cho cả phương pháp lên men rắn và lên men lỏng.
Năm 2005, nhiều phụ phẩm nông nghiệp như cà rốt, vỏ cam, táo, đậu, khoai tây và bã củ cải đường đã được giới thiệu làm cơ chất phản ứng cho PME Dựa trên các nghiên cứu và điều kiện thực tế, nhóm nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố nuôi cấy như độ ẩm, pH, nhiệt độ và thời gian ủ đến sự phát triển của nấm mốc Aspergillus niger trong quá trình sinh PME Phương pháp lên men bề mặt trên môi trường rắn (SSF) đã được áp dụng với hai phụ phẩm nông nghiệp là bã táo và vỏ cam sành.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
Quy trình sản xuất
Sơ đồ quy trình sản xuất enzyme pectin methylesterase
Kết tủa Lọc khung bản
Thuyết minh quy trình công nghệ
2.1 Thành phần môi trường nuôi cấy
Bã táo được tách nước và sấy ở nhiệt độ 60°C cho đến khi độ ẩm còn 6%, quá trình này mất khoảng 3-4 giờ Sau khi khô, bã táo được nghiền thành bột và đóng gói trong các bao PE nhỏ.
- Môi trường vỏ cam sành: vỏ cam sành tươi ( phần vỏ xanh bên ngoài ), rửa sạch, cắt nhỏ, điều chỉnh đến độ ẩm 75%
Kích hoạt giống gốc và giúp giống vi sinh vật thích nghi với môi trường lên men là bước quan trọng Hai dạng giống phổ biến để tăng số lượng tế bào vi sinh vật là tế bào sinh dưỡng và bào tử, trong đó bào tử là dạng giống được sử dụng trong trường hợp này.
+ Sau khi môi trường hoàn thành, từ môi trường trích ra 10% chuyển qua phòng nhân giống để nhân giống sản xuất
+ Quá trình này được thực hiện trong phòng nhân giống và môi trường vô trùng để tránh tạp nhiễm Tỷ lệ nhân giống 0,2-2%
- Giống được phân bố đều trên môi trường để tạo điều kiện thuận lợi cho giống phát triển
- Cách thực hiện: sau khi môi trường hoàn thành thì gieo giống với tỷ lệ 16,5% (w/v)
+ Thu nhận enzyme pectin ̣methylesterase (PME)
+ Bổ sung NaCl 0.025 M vào Aspergillus niger đã được nuôi cấy sau 4 ngày để thu nhận dung dịch có chứa bào tử nấm Aspergillus niger
+ Giống Aspergillus niger được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm với độ ẩm từ 50- 60%, nhiệt độ thích hợp là 28-32ᵒC và thời gian là 96h
Quá trình nuôi cấy Aspergillus niger để thu nhận PME có thể thực hiện qua nhiều phương pháp lên men khác nhau, bao gồm lên men bề mặt trên môi trường rắn (SSF) hoặc lỏng (SmF) và lên men chìm trong môi trường lỏng Trong nghiên cứu này, nhóm đã chọn phương pháp lên men trong môi trường rắn.
- Nguyên nhân chọn môi trường rắn mà không phải chọn môi trường lỏng:
Môi trường nuôi cấy đơn giản có thể sử dụng trực tiếp các cơ chất dưới dạng môi trường rắn hoặc được bổ sung thêm một số chất dinh dưỡng cần thiết.
+ Sản phẩm thu nhận có nồng độ cao, dễ dàng tinh sạch
Kết hợp các cơ chất tự nhiên từ thực vật, bào tử hoặc tế bào giúp hạn chế sự lây nhiễm của nhiều loại vi sinh vật khác nhờ vào hàm lượng ẩm thấp và mật độ nấm mốc lớn.
+ Lượng tạp chất sinh ra thấp hơn SmF
+ Enzyme ít nhạy cảm với các chất ức chế dị hóa hoặc cảm ứng
Giúp PME có thể liên kết và khuếch tán ra ngoài dung môi ở mức tối đa, giảm mất hoạt tính của enzyme
Sử dụng dung dịch đệm citrate (pH= 3,6) với tỷ lệ dung dịch đệm : cơ chất 2:1 v/w Nhiệt độ trích ly 35 0 C, thời gian 50 phút
Sau trích ly thu nhận được chế phẩm enzyme thô
+ Để thu nhận dung dịch enzyme nội bào, enzyme ngoại bào hòa tan và tách thành phần rắn ra khỏi dung dịch
Việc thu hồi sản phẩm với hiệu suất cao là yếu tố quyết định cho tính kinh tế của quy trình công nghệ, vì vậy cần tính toán việc tách và thu hồi sản phẩm ngay từ giai đoạn chọn giống vi sinh vật, nguyên liệu và môi trường nuôi dưỡng Sau khi quá trình lên men kết thúc, sản phẩm sẽ được thu hồi, thường tích lũy trong tế bào hoặc dung dịch nuôi cấy Phương pháp xử lý tiếp theo sẽ phụ thuộc vào mục tiêu công nghệ, dẫn đến việc áp dụng các phương pháp thu nhận khác nhau Hiện nay, lọc là phương pháp phổ biến nhất trong việc tách sinh khối vi sinh vật.
Phương pháp lọc là kỹ thuật phân tách hỗn hợp không đồng nhất bằng cách sử dụng lớp lọc, trong đó bã sẽ bị giữ lại trong khi dung dịch được phép đi qua Quy trình lọc có thể được thực hiện với hoặc không có sự hỗ trợ của các chất trợ lọc.
Máy lọc khung bản là thiết bị lọc hoạt động dựa trên nguyên tắc nén áp suất, bao gồm hai phần chính: bộ phận lọc và bộ phận bơm Bộ phận bơm có chức năng hút và nén dung dịch lọc qua vật liệu lọc để đảm bảo hiệu quả lọc tối ưu.
Thiết bị lọc bao gồm các khung và tấm lọc được kết hợp nhờ đĩa quay tay, với số lượng tấm lọc tối đa từ 50 đến 100 tấm Tấm vải lọc khung bản, hay còn gọi là vải lọc khung bản, được chế tạo từ polypropylene (PP), mang lại độ bền cao và khả năng chịu đựng tốt trong môi trường hóa chất.
Phần thứ hai của hệ thống bao gồm bộ phận hút và nén dung dịch lọc, được trang bị bơm nén áp suất cao và hai thùng chứa bằng thép không gỉ, mỗi thùng có dung tích 200 lít và chỉ thị mức dung dịch Một thùng chứa dung dịch đục (hỗn hợp lọc) và một thùng chứa dịch lọc (Filtrat) Ngoài ra, còn có một thùng thứ ba được kết nối với máy để chứa hỗn hợp nước và diatomit, chất này giúp phủ lên màng lọc một lớp màng, tạo điều kiện cho chất lỏng đi qua dễ dàng hơn.
Thiết bị lọc áp lực làm việc gián đoạn cho phép nhập liệu liên tục, trong khi nước lọc được tháo ra một cách liên tục Tuy nhiên, bã thải sẽ được thu gom theo chu kỳ.
Khung và bản là hai thành phần chính của thiết bị, trong đó khung chứa bã lọc và tiếp nhận huyền phù, còn bản tạo ra bề mặt lọc với các rãnh dẫn nước hoặc lỗ lọc Cả khung và bản thường được thiết kế hình vuông và cần có sự bịt kín tốt khi ghép lại Chúng được xếp liên tiếp trên giá đỡ, với vách ngăn lọc nằm giữa khung và bản Quá trình ép chặt khung và bản được thực hiện bằng cơ cấu đai vít xoắn thông qua tay quay.
Lỗ dẫn huyền phù nhập liệu được nối liền với khung và bản tạo thành ống dẫn để kết nối với hệ thống cấp liệu Nước lọc chảy ra từ bản qua hệ thống ống dẫn, trong khi bã được giữ lại trên bề mặt vách ngăn và chứa trong khung Khi khung đầy bã, quá trình lọc sẽ dừng lại để rửa và tháo bã Trong quá trình lọc, chất rắn trong huyền phù được giữ lại nhờ lớp vật liệu lọc, và độ dày của lớp chất rắn này tăng theo thời gian, hình thành lớp bánh lọc mới, cải thiện chất lượng lọc Hiệu quả lọc phụ thuộc vào kích cỡ hạt rắn và chiều cao lớp bã, nhưng lớp bã này cũng gây cản trở dòng chảy, với độ cản trở tăng theo độ dày của lớp bã lọc.
Màng lọc hoạt động trên cơ chế chuyển động của các phần tử nước nhờ lực nén của máy bơm tạo ra một dòng chảy mạnh
Có thể sử dụng nhiều loại vật liệu lọc khác nhau tùy thuộc vào kích thước tiểu phân rắn trong dung dịch, tính chất và lượng dung dịch cần lọc cũng như độ trong mong muốn Vải lọc khung bảng, thường được sử dụng trong công nghiệp, chủ yếu là vải Polypropylen (PP) và Polyester (PE) Trong đó, vải lọc PE có kích thước lỗ lọc từ 0,5 àM đến 800 àM, chịu nhiệt từ 120-150 độ C, có khả năng chống thủy phân, acid và kiềm tốt, cùng với đặc tính cơ học cao, đã được chọn làm vật liệu lọc cho thiết bị lọc khung bản.
Cách tiến hành: canh trường sau khi lên men được bơm vào thiết bị lọc để loại bỏ sinh khối thu dịch lọc
+ Thu nhận kết tủa protein trong dịch enzyme thô
+ Trong khi tiến hành kết tủa, ta phải làm lạnh cả dung dịch enzyme thô và cả những tác nhân kết tủa để tránh làm mất hoạt tính enzyme
+ Khi đổ chất làm kết tủa enzyme vào dung dịch enzyme thô phải hết sức từ từ để tránh hiện tượng biến tính
Trong quá trình kết tủa enzyme, cần sử dụng cồn hoặc sulfat amon với tỷ lệ 2 đến 2,5 lần so với dung dịch enzyme thô Sau khi thêm chất kết tủa vào dung dịch, tiến hành khuấy nhẹ và để yên ở nhiệt độ lạnh (4-7°C) Qua thời gian, enzyme sẽ kết tủa và lắng xuống đáy, sau đó thực hiện gạn và lọc để thu nhận kết tủa dạng paste với độ ẩm lớn hơn 70% W Tuy nhiên, ở trạng thái này, enzyme rất dễ bị biến tính do vẫn còn nhiều nước.
+ Để dễ bảo quản người ta sấy kết tủa enzyme PME cho đến khi độ ẩm cuối cùng đạt W = 5-8%
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Tính toán cân bằng vật chất cho từng giai đoạn
Giai đoạn Tỉ lệ hao hụt(%) Hiệu suất(%) Tài liệu tham khảo
Lên men 20 80 Keshavarz và Khalesi, 2016
Trích ly 20 80 Lê Văn Hoàng, 2004
Kết tủa 37,77 62,23 Trần Thanh Trúc, 2013
Sấy 2 Murray Moo-Young và cộng sự, 1986
Hình 3 1: Hiệu suất trong từng giai đoạn
Kế hoạch sản xuất
Giả sử thời gian làm việc 1 năm là 304 ngày
Thời gian lên men 1 mẻ là 96h, 3 mẻ vệ sinh 1 lần trong 24h
Thời gian lên men và vệ sinh trong 3 mẻ là : 96 x 3+ 24 = 312 giờ
Số mẻ lên men trong 1 năm là
𝟑𝟏𝟐 = 𝟕𝟎 (𝒎ẻ) Sản lượng sản xuất là 70 tấn/năm
Vậy năng suất thu sinh khối của nhà máy theo mẻ là: m PME = 𝟕𝟎 × 𝟏𝟎𝟎𝟎
• Tỉ lệ hao hụt là 0,2%
• Ta có lượng sản phẩm trước khi bao gói trong một mẻ là:
• Hoạt lực của enzyme trên thị trường: 6.75 ( U/mg)
• Tổng đơn vị hoạt lực thu được sau quá trình sấy:
• Lượng sản phẩm sau khi sấy là: P SS = P TB = 1002 (kg/mẻ)
• Độ ẩm vật liệu trước khi sấy là W1 = 60% (lượng enzyme sau khi lọc ở dạng sệt)
• Độ ẩm vật liệu sau khi sấy là W2 = 4%
• Lượng ẩm bay hơi là W
• Ta có công thức tính lượng ẩm là
• Tỉ lệ tổn thất là 2%
• Ta có lượng sản phẩm trước khi sấy là:
𝟏𝟎𝟎 − 𝟐 = 2453,88(kg/mẻ) 2.3 Ly tâm & Kết tủa
• Gỉa sử tỉ lệ tổn thất quá trình ly tâm là 15% và hiệu suất H% = 85%
• Lượng sản phẩm sau ly tâm:
• Lượng sản phẩm trước khi ly tâm là:
• Khối lượng riêng của enzyme là 1.05 kg/L, thể tích của enzyme là:
• Lượng sản phẩm sau khi kết tủa là: P SKT = P TLy = 3396,37 (kg/mẻ)
• Lượng sản phẩm trước khi kết tủa là:
Sau khi loại bỏ hoàn toàn dung dịch đệm, muối đã được bổ sung trong quá trình kết tủa để thu nhận enzyme, với tỷ lệ (NH4)2SO4 : PME thô là 55 : 65 (w/v) (Trần Thanh Trúc, 2013).
• Vậy khối lượng muối cần sử dụng trong quá trình kết tủa là:
Tổng khối lượng ly tâm:
Với hiệu suất kết tủa enzyme là 62,23%, tức là trong 2737 (kg) muối thì có 62,23% lượng muối kết tủa được enzyme
• Vậy lượng muối đã kết tủa enzyme là:
• Ta có khối lượng riêng của muối (NH4)2SO4 là 1,77 g/cm 3 , thể tích của muối đã kết tủa là:
• Tổng thể tích vật chất trong quá trình ly tâm là:
V LT = V Slo = V Muối tủa + V enzyme = 962,28 + 3234,64 = 4196,92 (L)
• Lượng sản phẩm sau khi lọc: P SLo = P TKT = 7303,68 (kg/mẻ)
• Tỷ lệ tổn thất 15% và hiệu suất quá trình đạt H = 85%
• Lượng sản phẩm trước khi lọc:
Khối lượng riêng của enzyme ρ = 1,05 kg/L
Thể tích enzyme đem đi lọc:
• Tỉ lệ tổn thất là 20% và hiệu suất qúa trình H% = 80%
Lượng canh trường sau khi trích ly: P STL = P TLo = 10108,90 (kg/mẻ)
• Lượng canh trường trước khi trích ly
Trong quá trình trích ly ta bổ sung thêm dung dịch đệm citrate với tỉ lệ dung dịch đệm: cơ chất là 2:1 v/w (Lê Thị Thu Trang, 2011)
• Thể tích dung dịch đệm citrate cần dùng là:
• Tỉ lệ tổn thất là 20%, hiệu suất quá trình H% = 80%
• Khối lượng môi trường sau lên men: MSLM = PTTL = 15795,16 (kg/mẻ)
• Khối lượng môi trường trước lên men:
• Giả sử hoạt lực enyme trước lên men bằng hoạt lực sau sấy là:
• Tổng hoạt độ enzyme thu được trước quá trình lên men:
Để đạt được năng suất 70 tấn/năm, cần xây dựng quy trình sản xuất với năng suất enzyme trong quá trình lên men là 2467,94 kg/mẻ, cùng với tổng hoạt lực enzyme thu được là 7,46 x 10^12 U.
Hoạt lực enzyme PME sau khi kết thúc quá trình lên men là 3,8.10 3 UI/mL (tham khảo trên Signa-Aldrich)
• Tổng hoạt lực enzyme trong 1 mẻ là:
Với tổng hoạt lực enzyme thu được là 7,64.10 12 (U) thì ta cần lên men với thể tích là:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
Thiết bị lên men
Ta có khối lượng nguyên liệu: 29635,86 kg
Khối lượng giống ( 16,5 w/v ): 5134,413 kg, với khối lượng riêng của giống là 1,05 kg/L
Tổng khối lượng môi trường lên men :
𝟐𝟗𝟔𝟑𝟓, 𝟖𝟔 + 𝟏𝟔𝟐𝟗𝟗, 𝟕𝟑 + 𝟓𝟏𝟑𝟒, 𝟒𝟏𝟑 =51070 (kg) Khay với kớch thước 50x40x10 cm đựng được ẵ chiều cao tức 5 cm
Thể tích phần khay chứa môi trường:
Vậy với thể tích này, khối lượng môi trường lên men rắn được bổ sung vào mỗi khay tương đương với 10 kg
Từ đó, số khay cần:
𝟏𝟎 = 𝟓𝟏𝟎𝟕( 𝒌𝒉𝒂𝒚) Thiết kế giá chứa khay sao cho khay được xếp thành một hàng, gồm 10 tầng mỗi tầng 10 khay Các khay cách nhau 5 cm
Do đó, chiều dài giá là:
Mỗi tầng của giá cách nhau 15 cm và tầng sát đất cách mặt đất 20 cm
Vậy chiều cao giá là:
Hình 4 1: Thông số phòng lên men
Ta có thông số phòng lên men là 30x4,5x3,1 (m)
Để tối ưu hóa không gian trong phòng, hãy sắp xếp các giá thành hàng dọc theo chiều dài phòng Mỗi hàng nên có 6 giá, với khoảng cách giữa các giá là 0,2 m Khoảng cách giữa các hàng là 1 m và cách tường 0,5 m, do đó, bạn có thể xếp được 3 giá theo chiều rộng của phòng.
Từ đó trong 1 phòng sẽ chứa được 6 giá gồm:
Vậy số phòng cần thiết là:
𝟏𝟖𝟎𝟎~𝟑(𝒑𝒉ò𝒏𝒈) Tổng diện tích lên men là:
Thiết bị nhân giống
• Thiết bị nhân giống cấp 1:
Lượng giống cho vào canh trường lên men:
Lượng nhân giống cấp 1 bằng 10% lượng giống cấp 2:
Chọn hệ số chứa đầy φ = 0,6 (Lê Văn Hoàng, 2004)
Thể tích của thiết bị nhân giống cấp 1:
Chọn thiết bị nhân giống có thể tích là 1000 (L) = 1m 3 ( chọn 1TB )
Nhân giống cấp 1 được thực hiện trong các nồi lên men có dạng hình trụ, nắp và đáy hình chỏm cầu
D: đường kính thiết bị h2: chiều cao nắp và đáy h1: chiều cao thân thiết bị
Vậy chọn thiết bị lên men có kích thước như sau:
• Thiết bị nhân giống cấp 2
Lượng nhân giống cần cung cấp trong một mẻ:
Chọn hệ số chứa đầy φ = 0,6 (Lê Văn Hoàng, 2004)
Thể tích của thiết bị nhân giống là:
Chọn thể tích bồn nhân giống cấp 2 là : 1,5m 3 ( chọn 6TB )
Tương tự thiết bị nhân giống cấp 1:
Vậy chọn thiết bị nhân giống cấp 2 có kích thước là:
Thiết bị trích ly
Lượng canh trường trước khi trích ly: 15795,16 (kg/mẻ)
Thể tích đệm nitrate cần dùng: 31590,32 (L)
Tổng thể tích trích ly : 47385,48 (L)
Chọn thiết bị trích ly có năng suất 1500 (L) với thời gian trích ly là 6h
Vậy số thiết bị trích ly :
Máy trích ly Ruian Xuanli Machinery Co., Ltd được lựa chọn dựa trên các thông số tính toán cụ thể Với công suất 1500x6 = 5,26 ~ 6 (máy), thiết bị này đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật và hiệu suất cao trong quá trình chiết xuất.
Năng suất theo phần chiết (L/h) 250÷1500
Số phòng hình quạt trong roto 16÷20 Chiều sâu của phòng hình quạt 230÷360 mm Đường kính của roto 6200÷7570 mm
Chiều cao của lớp canh trường nấm mốc 300 mm
Hình 4 2: Thông số thiết bị trích ly
Thiết bị kết tủa
Chọn thiết bị kết tủa được chế tạo bằng thép không gỉ, có thân hình trụ, đáy bằng phẳng và có nắp hình chóp cầu
H: chiều cao thân thiết bị h: chiều cao nắp thiết bị
Ta có tổng thể tích dung dịch kết tủa bằng tổng thể tích dung dịch ly tâm
Chọn hệ số chứa đầy 0,6
Thế vô (2) ta được: V thiết bị = 0,113 πD 3
Chiều cao toàn bộ thiết bị: H 0 = H + h = 4,32 + 0,27 = 4,59 (m) Đặc điểm Thông số (m) Đường kính thiết bị 2,70
Chiều cao thân thiết bị 4,32
Chiều cao nắp thiết bị 0,27
Hình 4 3: Thông số thiết bị kết tủa
Thiết bị ly tâm
Trong quá trình ly tâm, thực hiện ở nhiệt độ 4 o C để đảm bảo enzyme không bị biến tính
Thể tích cần ly tâm: 4196,92 (L)
Thời gian thực hiện ly tâm là 15 phút ( 0,25h) với công suất thiết bị là 5m 3 /h Vậy số thiết bị:
Chọn máy ly tâm với các thông số như trên, tốc độ cần thiết để loại bỏ dịch là
6500 RPM, nhóm chọn máy ly tâm dạng đĩa DHC400 của hãng Zonelink với các thông số của máy như sau: Đặc điểm Thông số
Kích thước trong ( L×𝑊 ×𝐻)(cm) 1500 x 900 x 1500 Đường kính trong (mm) 180 Đường kính ngoài (mm) 415
Tốc độ vòng quay (rpm) 6700
Hình 4 4: Thông số thiết bị ly tâm
Tốc độ quay (RPM) cần thực hiện để thu tủa là 6500 vòng/ phút
Trong đó: n : lượng đĩa, thiết bị DHC400 có 105 đĩa
𝜃 : góc nghiêng tạo nên con đĩa, độ (chọn 𝜃 = 45 độ) r1 và r2: bán kính ngoài và bán kính trong của đĩa
Lưu lượng đi vào các máy ly tâm:
Lưu lượng đi vào 1 máy ly tâm:
𝟓 = 3358 (L/h) => Phù hợp với thông số của máy
Vận tốc đi vào máy ly tâm: v = 𝑽𝒍𝒚 𝒕â𝒎
Thiết bị lọc
Sau trích ly, để thu được enzyme nội bào, enzyme ngoại bào hòa tan và tách cách thành phần rắn ra khỏi dung dịch,
Thể tích dịch qua quá trình lọc:
Nhóm chọn thiết bị lọc khung bản Xmaz 20/800U Đặc điểm Thông số
Dung tích thùng chứa 287 lít
Hình 4 5: Thông số thiết bị lọc
Các loại sản phẩm sinh học có sử dụng phương pháp lọc thì tổng trở lực và độ nhớt thường được quy định không vượt quá 15,8
Vận tốc của dung dịch lọc qua màng
Trong đó ΔP : chênh lệch áp suất qua màng Δπ : áp suất thẩm thấu do lớp cặn tích tụ trên màng tạo ra μ : độ nhớt
Rm : trở lực của màng
RCP : trở lực của lớp cặn trên màng μ ( Rm – RCP) : tổng trở lực và độ nhớt
Công suất của thiết bị :
Thời gian dịch lọc qua một khung t = 𝐕 𝐋𝐓
Vậy thời gian lọc của thiết bị :
Vậy số thiết bị cần cho quá trình lọc : 3 thiết bị
Thiết bị sấy
Thiết bị sấy nhóm chọn là thiết bị sấy phun SP- 50
Thông số kĩ thuật-technical parameter Sp-50
Năng suất 50 L/h Độ hòa tan dịch phun 30-40% Độ ẩm sản phẩm 3-7%
Tỉ lệ thu hồi chất rắn >`%
Công suất nhiệt trở 54 Kw
Bơm nhu động (Điều khiển tốc độ bằng bộ điều tốc)
Peristaltic pump (Speed is controlled by a controller)
Dung tích Công suất nhiệt trở Động cơ khuấy dịch
Air motor Động cơ quạt hút 10-2800 v/p
Motor đĩa phun( điều khiển bằng inverter)
Spray disc motor( controlled by inverter)
Thông số thiết bị sấy cho thấy độ ẩm của sản phẩm trước khi vào thiết bị là W1 = 60% và sau khi sấy là W2 = 4% Khối lượng nguyên liệu được đưa vào quá trình sấy cho mỗi mẻ cần được xác định rõ ràng.
P TS = 𝑷 𝒔𝒔 + 𝑾 + 𝑯% = 2 453,88 (Kg/ mẻ) Nhiệt độ tác nhân sấy 20 0 C (nhiệt độ sản phẩm sấy lúc này là < 30 0 C) Nhiệt độ tác nhân sấy khi ra là 30 0 C
Bề mặt bốc hơi ẩm: 70 kg/m 2 h là giá trị tham khảo từ các thiết bị sấy phun các sản phẩm sinh học
• Tính lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 mẻ :
• Tính lượng không khí cần thiết dùng làm tác nhân sấy cho 1 kg ẩm bốc hơi: Giải sử: X0 = 0,0119 (kg ẩm/ kg kkk): hàm ẩm của không khí trước sấy
X3 = 0.0238 (kg ẩm/ kg kkk): hàm ẩm của không khí sau khi sấy
• Nhiệt lượng cần dùng cho quá trình sấy:
= 201,686 (𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 ẩ𝑚 𝑏ố𝑐 ℎơ𝑖) t0: Nhiệt độ ban đầu của không khí ( 0 C) t1: Nhiệt độ của không khí đi vào thiết bị sấy ( 0 C)
I: Lượng không khí cần thiết dùng làm tác nhân sấy (kg kkk/ kg ẩm bốc hơi)
• Lượng không khí khô cần thiết tiêu tốn trong một giờ (kg/h):
• Lượng nhiệt tiêu tốn trong một giờ (kcal/h) :
• Nhiệt tiêu tốn dùng để đun nóng sản phẩm sấy từ nhiệt độ to đến t1:
B 697,512 (𝑘𝑐𝑎𝑙/ℎ/mẻ) m1: khối lượng ban đầu vào thiết bị sấy (kg)
Csp: nhiệt dung riêng của nguyên liệu (kcal/kg o C)
Giả sử C = 3.48 (kcal/kg o C) ttb % o C và to = 20 o C
• Nhiệt lượng carorife cần cung cấp cho quá trình sấy:
Thời gian sấy: ước tính thời gian sấy khoảng 2 giờ.
Tổng thời gian cả vệ sinh là 3 giờ.
• Độ ẩm của vật liệu:
• Gk : Khối lượng vật liệu sấy tính theo khối lượng khô tuyệt đối (kg/h)
• F: Tổng bề mặt bay hơi của sản phẩm sấy:
• C : Hệ số tốc độ sấy:
Thiết bị đóng gói
Chọn thiết bị đóng gói bao bì túi hàn ép sẵn SV- L Đặc điểm Thông số
Tốc độ đóng gói 70 sản phẩm/ giờ
Khối lượng 1 lần định lượng 0,5 Kg Điện năng tiêu thụ 380 V
Khí nén tiêu thụ 0,5 m 3 /phút
Bao bì sử sử dụng Laminateed film, PE, PP
Kích thước thiết bị 3028 x 2126 x 1455 mm
Hình 4 7: Thông số thiết bị đóng gói
Trọng lượng của một bao sản phẩm là: 0,5 Kg Ta có khối lượng enzyme là 1002 Kg/mẻ Suy ra, số sản phẩm trong một mẻ là :
Năng suất đóng gói của một thiết bị trong 1 giờ là 60 sản phẩm Thời gian đóng gói sản phẩm là 17 giờ thì số lượng thiết bị cần dùng là:
Vậy số lượng cần 2 thiết bị đóng gói
TÍNH TOÁN KINH TẾ
Vốn cố định
STT Tên thiết bị Số lượng Đơn giá
1 Thiết bị lên men 5107 khay 6.65 33.961,55
2 Thiết bị nhân giống cấp 1 1 600 600
3 Thiết bị nhân giống cấp 2 2 960 1.920
9 Thiết bị đóng gói SV-L 2 14.000 28.000
Chi phí lắp đặt, vận chuyển thiết bị chiếm 1% chi phí thiết bị 5.995,82
Tổng chi phí lắp đặt và thiết bị (TMÁY) 605.577,37
= 13.927.068.355,26 (VNĐ) Hình 5 1: Tính toán thiết bị
Số lượng Đơn giá ($) Thành tiền ($)
Xe vận chuyển nguyên liệu DONGFENG 2 114.516 229.032
Xe vận chuyển sản phẩm DONGFENG 2 114.516 229.032
.877.710.782 (VNĐ) Hình 5 2: Phương tiện vận tải
Tổng chi phí cho thiết bị và phương tiện vận tải
T TB = T MÁY + T XE = 13.927.068.355,26 (VNĐ) + 10.877.710.782 (VNĐ)
1.2 Chi phí nhà đất, xây dựng
Theo tìm hiểu, đơn giá xây dựng nhà kho, xưởng sản xuất có đơn giá giao động từ 1.500.000/m 2 – 2.200.000/m 2
STT Tên Diện tích (m 2 ) Đơn giá
Chi phí xây dựng (VNĐ)
Khu sản xuất 10.000 1.700.000 17.000.000.000 Kho chứa sản phẩm 2.000 1.700.000 3.400.000.000 Kho chứa nguyên liệu 1.000 1.700.000 1.700.000.000
Khu xử lý nước thải 500 1.700.000 850.000.000
Phòng kế toán- tài chính 90 1.700.000 153.000.000
Khu nghỉ cho nhân viên 40 1.700.000 68.000.000
Hình 5 3: Chi phí xây dựng
Giả sử khu công nghiệp đặt tại quận Tân Phú với giá thuê mặt bằng là 250 triệu/tháng Chi phí thuê đất trong 10 năm:
Tổng chi phí xây dựng và thuê mặt bằng:
Chi phí sản xuất trực tiếp
(VNĐ/kg) Số lượng (kg) Thành tiền (VNĐ)
Hình 5 4: Chi phí nguyên liệu sản xuất 1 mẻ
Tổng chi phí nguyên trong 1 năm với 70 mẻ:
Phòng kế hoạch tài chính 8 8.000.000 64.000.000 768.000.000
Nhân viên kỹ thuật 5 8.000.000 40.000.000 480.000.000 Phòng nhân giống 5 9.000.000 45.000.000 540.000.000 Vận hành thiết bị 5 9.000.000 45.000.000 540.000.000
Xử lí môi trường 2 8.000.000 16.000.000 192.000.000 Lái xe vận chuyển nguyên liệu sản phẩm
Hình 5 5: Chi phí nhân viên
Năng lượng Đơn giá (VNĐ) Số lượng Thành tiền (VNĐ) Điện 3.000 3.000.000 Kw 9.000.000.000
Hình 5 6: Chi phí năng lượng
Tổng chi phí trực tiếp
3 Chi phí sản xuất gián tiếp
3.1 Chi phí bảo trì thiết bị
Chi phí bảo trì thiết bị chiếm 10% tiền thiết bị và tiền công trình
Chi phí quảng cáo bằng 5% chi phí sản xuất trực tiếp
3.3 Chi phí chiết khấu cho đại lý
Chi phí chiết khấu đại lý bằng 1% chi phí sản xuất trực tiếp
Chi phí vận chuyển bằng 1% chi phí sản xuất trực tiếp
3.5 Chi phí kiểm tra chất lượng sản phẩm
Chi phí kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng 0.5% chi phí sản xuất trực tiếp
Theo Quyết định số 595/QĐ-BHXH mức đóng bảo hiểm đối với người sử dụng lao động :
- Bảo hiểm y tế 3% lương: 4.710.000.000 x 3% = 141.300.000 (VNĐ)
- Bảo hiểm xã hội 17,5% lương: 4.710.000.000 x 17,5% = 824.250.000 (VNĐ)
- Bảo hiểm thất nghiệp 1% lương: 4.710.000.000 x 1% = 47.100.000 (VNĐ)
3.7 Chi phí xử lý nước thải
Chi phí xử lý nước thải bằng 5% chi phí sản xuất trực tiếp
Theo quy định tại phụ lục 1 của thông tư 45/2013/TT-BTC, thời gian khấu hao cho thiết bị là 15 năm, phương tiện vận tải là 10 năm, và khu xây dựng là 20 năm.
Tổng chi phí gián tiếp
T GT = T BT + T QC + T CK + T VC + T KT + T BH + T NT + T KH
Vốn lưu động
Vốn lưu động = T TT + T GT = 35.110.230.000 + 12.426.577.887,41
Tổng vốn đầu tư
Giá sản phẩm
Giá thị trường hiện nay cho enzyme pectinase dao động từ 2.000.000 đến 2.300.000 đồng/kg Để cạnh tranh hiệu quả với các công ty khác, công ty quyết định niêm yết giá bán là 1.600.000 đồng/kg và dự kiến sẽ tiêu thụ khoảng 70.000 kg mỗi năm.
Lợi nhuận
Doanh thu = giá thành x thành phẩm = 1.600.000 x 70.000
Lợi nhuận trước thuế = Doanh thu - Vốn lưu động
Theo quy định Việt Nam thuế doanh nghiệp là 20% lợi nhuận trước thuế
Lợi nhuận ròng = Lợi nhuận trước thuế - Thuế DNTN
Dòng tiền thuần = Lợi nhuận ròng + Tkhấu hao
Thời gian hoàn vốn
Thời gian hoàn vốn = 𝑽ố𝒏 𝒄ố đị𝒏𝒉
Thời gian hoàn vốn là 1 năm 4 tháng
Giá trị hiện tại thuần NPV
CFt : dòng tiền thuần của dự án ở năm t
CFo: vốn đầu tư ban đầu của dự án n: tuổi thọ của dự án
(1 + r) t : tỉ lệ chiết khấu hay tỉ lệ hiện đại hóa
Khi NPV < 0, thì dự án từ chối
Khi NPV = 0, thì doanh nghiệp có thể lựa chọn hoặc từ chối dự án
Khi NPV > 0, thì dự án khả thi
Thời gian vận hành tính trong khoảng 10 năm
Năm Dòng tiền Hệ số chiết khấu
Hình 5 7: Gía trị thuần NPV NPV1 > 0 => dự án nên đầu tư
Tỉ lệ hoàn vốn nội tại IRR
Tỷ suất thu hồi vốn nội bộ (IRR) là lãi suất chiết khấu mà tại đó NPV của dự án bằng 0
Dựa theo công thức, ta tính được:
Thời gian vận hành tính trong khoảng 10 năm
Bảng 5.8: Bảng tỉ lệ hoàn vốn nội tại IRR
Năm Dòng tiền Hệ số chiết khấu
Hình 5 8: Tỉ lệ hoàn vốn nội tại IRR
Từ đó ta có bảng thông số sau:
IRR = 31% ➔ Dự án khả thi
TÍNH TOÁN RỦI RO
- Theo dự tính công ty sẽ sản xuất được 70.000 kg/năm và giá 1.600.000 (VNĐ) Giả sử:
- Trong 1 năm sản xuất có 2% sản phẩm không đạt chất lượng trong tổng lượng sản phẩm sản xuất:
- Tổn thất do trong quá trình vận chuyển chiếm 2,5% trong tổng lượng sản phẩm sản xuất:
- Tổng chi phí rủi ro trong 1 năm:
Arotupin, D., Akinyosoye, F., & Onifade, A J A J o B (2008) Purification and characterization of pectinmethylesterase from Aspergillus repens isolated from cultivated soil 7(12)
Awad, M., & Young, R J J A S H S (1980) Avocado pectinmethylesterase activity in relation to temperature, ethylene and ripening 105(5), 638-641 Bordenave, M., & Goldberg, R J P (1993) Purification and characterization of pectin methylesterases from mung bean hypocotyl cell walls 33(5), 999-1003
Purification, properties and heat inactivation of pectin methylesterase from apple (cv Golden Delicious) 80(10), 1503-1509
Giovane, A., Servillo, L., Balestrieri, C., Raiola, A., D'avino, R., Tamburrini, M.,
Gustavo, A., Fabio, C., Harumi, K., & Vijay, M (2004) Web services: concepts, architectures and applications
Joshi, V K., Parmar, M., Rana, N S J F T., & Biotechnology (2006) Pectin
Esterase Production from Apple Pomace in Solid-State and Submerged Fermentations 44(2)
Kohli, P., Kalia, M., Gupta, R J J o B., & Biotechniques (2015) Pectin methylesterases: a review 5(5), 1
Micheli, F J T i p s (2001) Pectin methylesterases: cell wall enzymes with important roles in plant physiology 6(9), 414-419
Nighojkar, A., Patidar, M K., & Nighojkar, S (2019) Pectinases: production and applications for fruit juice beverages In Processing and Sustainability of Beverages (pp 235-273): Elsevier
Pandey, A., Soccol, C R., & Mitchell, D J P b (2000) New developments in solid state fermentation: I-bioprocesses and products 35(10), 1153-1169
Pressey, R., & Woods, F M J P (1992) Purification and properties of two pectinesterases from tomatoes 31(4), 1139-1142
Rexová-Benková, Ľ., Markoviĉ, O J A i c c., & biochemistry (1976) Pectic enzymes 33, 323-385
Trúc, T T., & Mười, N V J T c K h T Đ h C T (2015) Tuyển chọn dòng nấm mốc Aspergillus niger sinh tổng hợp protease hoạt tính cao 12-20
Nguyễn Đức Lượng, Cao Cường, Nguyễn Ánh Tuyết, Lê Thị Thủy Tiên, Tạ Thu
Hằng, Huỳnh Ngọc Oanh, Nguyễn Thúy Hương, Phan Thị Huyền (2010) đã xuất bản cuốn sách "Công Nghệ Enzyme" tại NXB Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Đội ngũ tác giả bao gồm Đặng Thị Thu, Lê Ngọc Tú, Tô Kim Anh, Phạm Thu Thủy và Nguyễn Xuân Sâm, cung cấp những kiến thức quan trọng về ứng dụng công nghệ enzyme trong các lĩnh vực khác nhau.
(2012).,Công Nghệ Enzyme, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật.
