Luận văn công nghệ sinh học Quy trình sản xuất protein đơn bào từ tảo Spirulina

Với đề tài “ Quy trình sản xuất protein đơn bào từ tảo Spirulina ” sẽ đi sâu và nghiên cứu về các quy trình sản xuất protein đơn bào từ vi sinh vật dặc biệt là từ tảo Spirulina. Đây không phải là một đề tài mới, nhưng là một đề tài luôn nóng hổi bởi tính thời sự của nó, với những công trình nghiên cứu đươc nhắc đến trong đề tài này ta sẽ hiểu rõ thêm phần nào về các tính năng, công dụng của tảo Spirulina và chúng có ích cho cuộc sống con người ta như thế nào. Protein đơn bào có lợi ích gì cho chúng ta và bằng cách nào có thể sản xuất được prtein đơn bào từ vi sinh vật, nấm men đặc biệt là từ tảo Spirulina. Những thông tin trong đề tài này đã được thu thập, chắc lọc, và kiểm chứng thực nghiệm cụ thể thông qua quá trình nghiên cứu, khảo sát trên thực tế nhằm đảm bảo tính chính xác và giá trị của đề tài.

PHẦN I: LỜI MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Đã từ lâu, tảo là món ăn dân gian của nhiều địa phương trên thế giới.Dân miền Kamen đã dung thúng mủng vớt loại tảo lam đa bào Spirulina maximatrong các ao hồ giàu muối cacbonat để làm thức ăn nhưng lúc đó họ chưa biết trongtảo lam có chứa rất nhiều chất có giá trị dinh dưỡng

Đầu những năm 70 của thế kỉ XX, viện nghiên cứu dầu mỏ của Pháp đã phát hiện ratảo có khả năng phát triển nhanh và có hàm lượng protein rất cao Từ năm 1967,Sosa Texcoco (Cộng hòa Sat, châu Phi) đã trở thành cơ sở sản xuất tảo spirulina đầutiên trên thế giới Trước đây người ta sản xuất nhiều chlorella nhưng dần dần , donhững ưu điểm nổi bật, tảo Spirulina đã chiếm vị trí chủ yếu Hiện nay trên thế giớirất nhiều nươc trong đó có cả Việt Nam cũng đã tổ chức sản xuất loại tảo này ởnhững quy mô lớn nhỏ khác nhau

Tảo spirulina có cấu tạo hình sợi đa bào, hình dạng xoắn lò xo, kíchthước khoảng 0,25-0,5 nm, sống tự nhiên ở các ao hồ nước kiềm giàu muối natribicacbonat

Tảo Spirulina sinh sản bằng cách gãy ra từng khúc, tốc độ sinh trưởngrất nhanh, có thể sống trong môi trường nghèo chất dinh dưỡng, điều kiện nuôi cấyđơn giản Đặc biệt ở điều kiện tự nhiên có cường độ chiếu sáng lớn và trong môitrường có pH =8.5 -9 thì tốc độ sinh trưởng là lớn nhất Hiệu suất sử dụng nănglượng mặt trời cao tới 3 -4.5 % Hiệu suất sử dụng khí CO2 để làm nguồn cacboncũng rất cao, tới 80 - 85 % trong khi Chlorella chỉ đạt khoảng 30 % Tảo Spirulina

có kích thước lớn, lại có xu hướng nổi lên mặt nước và tụ tập sinh khối nên dễ dàngthu hoạch bằng cách vớt và lọc trong khi đó Chlorella có kích thước nhỏ nên phảithu nhận bằng phương pháp ly tâm phức tạp Năng suất tính trên đơn vị diện tíchnuôi trồng rất cao do đó nó có giá trị kinh tế rất cao Theo báo Vietnam Net, ở Long

An đã nuôi trồng tảo Spirulina bằng nhà kính, so với sử dụng đất để trồng lúa với

thu nhập 50 triệu đồng/ha/năm, việc chuyển sang nuôi tảo Spirulina sẽ tạo mức thunhập khoảng1.2 tỉ đồng/năm, tức tăng gấp 24 lần so với trồng lúa.

Ngoài những ưu điểm trên, việc tảo Spirulina được đưa vào sản xuất với qui mô lớn

ở nhiều nước trên thế giới còn do giá trị dinh dưỡng to lớn của nó Tảo Spirulinachứa hàm lượng protein rất cao, khoảng 60 - 70 % trọng lượng chất khô đặc biệt là

có đầy đủ các axit amin không thay thế Hàm lượng các axit amin của những proteinnày gần với qui định của protein tiêu chuẩn, tương đương với protein động vật vàcao hơn hẳn protein thực vật

2.Giải quyết vấn đề

Với những đặc tính ưu việc trên tảo Spirulina đã được tận dụng đểđưa vào sản xuất protein đơn bào nhằm phục vụ cho đời sống ngày càng cao của

con người Với đề tài “ Quy trình sản xuất protein đơn bào từ tảo Spirulina ” sẽ đi

sâu và nghiên cứu về các quy trình sản xuất protein đơn bào từ vi sinh vật dặc biệt là

từ tảo Spirulina Đây không phải là một đề tài mới, nhưng là một đề tài luôn nónghổi bởi tính thời sự của nó, với những công trình nghiên cứu đươc nhắc đến trong đềtài này ta sẽ hiểu rõ thêm phần nào về các tính năng, công dụng của tảo Spirulina vàchúng có ích cho cuộc sống con người ta như thế nào Protein đơn bào có lợi ích gìcho chúng ta và bằng cách nào có thể sản xuất được prtein đơn bào từ vi sinh vật,nấm men đặc biệt là từ tảo Spirulina Những thông tin trong đề tài này đã được thuthập, chắc lọc, và kiểm chứng thực nghiệm cụ thể thông qua quá trình nghiên cứu,khảo sát trên thực tế nhằm đảm bảo tính chính xác và giá trị của đề tài

3.Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của đề tài này gồm 3 phần đó là tìm hiểu khái quát

về protein đơn bào, nghiên cứu về các tính nắng y học của tảo Spirulina và cách thức sản xuất protein đơn bào từ tảo Spirulina Tuy chỉ là những nghiên cứu nhỏ

lẻ, những thông tin thu thập được từ những bài báo khoa học nhưng hy vọng rằng đề

tài trên sẽ mở ra một hướng mới trong công cuộc sản xuất protein đặc biệc là proteinđơn bào nhằm phục vụ cho lợi ích cuộc sống của con người chúng ta

4 Kết cấu đề tài

Đề tài bao gồm 3 phần chính:

Phần 1: Lời mở đầu

Phần 2: Nội dung chính gồm 3 chương

Chương 1 sơ lược về proien và các quy trình sản xuất protein hiện nay Chương 2 giới thiệu chung về tảo Spirulina

Chương 3 quy trình sản xuất protein đơn bào từ tảo Spirulina.

Phần 3: Kết bài

PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ PROTEIN CÁC QUY TRÌNH SẢN XUẤT

PROTEIN 1.1 Sơ lược về protein

Protein theo tiếng Hy Lạp "Protos" - có nghĩa là đầu tiên, quan trọng nhất,điều đó cho chúng ta thấy được vai trò quan trọng bậc nhất của protein đối với cuộcsống

1.1.1 Định nghĩa protein

Người ta thường định nghĩa protein theo hai quan điểm:

Theo quan điểm hoá học

Các nhà hoá học căn cứ vào thành phần và cấu tạo hoá học của protein đểđịnh nghĩa Họ cho rằng protein là nhóm chất hữu cơ lớn với hai đặc điểm đáng chú

ý là:

- Phân tử có chứa Nitơ (azốt)

- Trọng lượng phân tử rất cao

Có thể nói rằng: Protein là chất trùng phân cao phân tử của các acid amin

Theo quan điểm sinh vật học

Các nhà sinh vật học lại dựa Vào giá trị dinh dưỡng và tầm quan trọng của protein đối với sự sống để định nghĩa Theo quan điểm sinh vật học thì

protein là chất mang sự sống Điều này được Ph.Ăng-ghen phát triển rất rành mạch

trong tác phẩm nổi tiếng "Chống Đây rinh và "Phép biện chứng tự nhiên" Ph ghen viết: " Sự sống là phương thức tồn tại của các thể protein, bản chất của nóbao hàm trong hiện tượng luôn luôn tự tái tạo những cấu trúc hoá học của những thểấy" Ông viết tiếp: "Bất cứ nơi nào có hiện tượng sống chúng ta đều thấy nó

đi liền với thể protein và bất cứ nơi nào có protein không ở quá trình tan rã, chúng

ta bắt buộc phải gặp hiện tượng sống", "Ngay những sinh vật hạ đẳng nhất màchúng ta biết, bản thân cũng đã là một hạt protein".

Nội dung định nghĩa về sự sống của ăn ghen:

- Sự sống là phương thức tồn tại của protein Protein ở đây là một cơ thểhoàn chỉnh có tổ chức, chứ không phải là một loại protein riêng biệt nào đó

- Thể protein ở đây chứa đựng cả lớp nucleoprotein

- Nội dung chính của sự vận động sống là sự trao đổi chất, sự tự thay cũđổi mới các nguyên tố hoá học mà hiện tượng này không thể có trong một chất vôsinh Bốn biểu hiện cụ thể của sự sống là:

+ Có khả năng vận động và đáp nhận kích thích bên ngoài + Có khả năng sinh trưởng, phát triển và sinh sản

+ Có khả năng di truyền và biến dị + Có khả năng trao đổi vật chất với môi trường bên ngoài

Trong tất cả 4 biểu hiện trên thì biểu hiện thứ tư của sự sống là quantrọng nhất Bởi vì có trao đổi vật chất thì cơ thể mới có khả năng vận động và đápứng được các kích thích, mới có khả năng sinh trưởng, phát triển, sinh sản và mới

có khả năng di truyền, biến dị được

1.1.2 Các nguyên tố hoá học của protein

Qua phân tích hoá học người ta xác định được trong protein có các nguyên tốsau đây (tính theo % vật chất khô):

- Cacbon: 50,6 - 54,5

- Oxy: 21,5 - 23,5

- Hydro: 6,5 - 7,3

- Nitơ: 15,0 - 17,6 (trung bình 16%)

- Lưu huỳnh: 0,3 - 2,5

- Phospho: 1,0 - 2,0

Nhận thấy rằng Nitơ luôn luôn có trong protein ở một lượng ít thay đổi, trên

dưới 16% Trong thực hành tỷ lệ này được dùng vào việc định lượng protein

(phương pháp Kjeldahl)

số lượng protein = Số lượng N x 6,25 g.

Cũng do nào là nguyên tố thường trực của protein nên trong ngộn ngữ thường ngàyngười ta dùng chữ "Đạm" hiểu ngầm là protein

Ngoài các nguyên tố hoá học kể trên, trong thành phần protein còn có cácnguyên tố vi lượng và các nguyên tố siêu vi lượng Mặc dầu số lượng các nguyên tố

đó trong protein rất thấp (khoảng 0,3.10-3%) nhưng chúng đóng vai trò quan trọngtrong quá trình hoạt động sống của động vật, đặc biệt là trong thành phần của enzym

1.1.3 Vai trò sinh học của protein

Protein giữ vai trò rất quan trọng trong tất cả các quá trình sinh học ý nghĩađáng kể nhất của chúng được thể hiện qua các vai trò chủ yếu sau đây:

Vai trò tạo hình

Ngoài các protein làm nhiệm vụ cấu trúc như vỏ vứus, màng tế bào, ta còngặp những protein thường có dạng sợi như: fibroin của tơ tằm, nhện; collagen,

elastin của mô liên kết, mô xương Các chất này có tác dụng tạo hình đảm bảo độbền và tính mềm dẻo của các mô liên kết.

Vai trò xúc tác

Hầu hết các phản ứng sinh hóa học xảy ra trong cơ thể đều do các protein đặcbiệt đóng vai trò xúc tác Những protein này được gọi là enzym Mặc dầugần đây người ta đã phát hiện được một loại ARN có khả năng xúc tác quá trìnhchuyển hóa tiền ARN thông tin thành ARN thông tin trưởng thành, nghĩa làenzym không nhất thiết phải là protein Tuy nhiên, hầu hết các phản ứng xảy ratrong cơ thể sống đều được xúc tác bởi các enzym có bản chất protein Vì vậy,người ta thường định nghĩa enzym là những protein có khả năng xúc tác đặc biệtcho các phản ứng sinh hóa học

Vai trò bảo vệ

Protein có chức năng chống lại bệnh tật bảo vệ cơ thể Đó là các protein thamgia vào hệ thống miễn dịch Đặc biệt nhiều loại protein thực hiện các chức năngriêng biệt tạo nên hiệu quả miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu Các protein miễndịch được nhắc đến nhiều nhất là các kháng thể, bố thể và các cytokine Ngoài ra,một số protein còn tham gia vào quá trình đông máu để chống mất máu cho cơ thể.Một số loài có thể sản xuất ra những độc tố có bản chất protein như enzym nọc rắn,lectin có khả năng tiêu diệt kè thù để bảo vệ cơ thể

Vai trò vận chuyển

Trong cơ thể động vật có những protein .làm nhiệm vụ vận chuyển như hemoglobin, mioglobin, hemocyanin vận chuyển O2, CO2 và H+ đi khắp các môbào, các cơ quan trong cơ thể Ngoài ra, còn có nhiều protein khác như lipoprotein vận chuyển lipid, seruloplasmin vận chuyển đồng (Cu) trong máu Một trong những protein làm nhiệm vụ vận chuyển được nhắc đến nhiều nhất đó

Các protein làm nhiệm vụ dự trữ như casein của sữa, ovalbumin của trung,

feritin của lách (dự trữ sắt) Các protein dự trữ này chính là nguồn cung cấp dinh

dưỡng quan trọng cho các tổ chức mô, phôi phát triển

Vai trò dẫn truyền tín hiệu thần kinh

Nhiều loại protein tham gia vào quá trình dẫn truyền tín hiệu thần linh đốivới các kích thích đặc hiệu sắc tố thị giác rodopsin ở võng mạc mắt

Vai trò điều hòa

Nhiều protein có khả năng điều hòa quá trình trao đổi chất thông qua việc tácđộng lên bộ máy thông tin di truyền như các hormon, các protein ức chế đặc hiệu enzym Ví dụ điển hình là các protein repressor ở vi khuẩn có thể làm ngừng quá trình sinh tổng hợp enzym từ các đến tương ứng

Vai trò cung cấp năng lượng

Protein là nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể sống Khi thủy phânprotein, sản phẩm tạo thành là các acid amin, từ đó tiếp tục tạo thành hàng loạt cácsản phẩm khác trong đó có các cetoacid, aldehyd và acid carboxylic Các chất nàyđều bị oxy hóa dần tạo thành CO2 và H2O, đồng thời giải phóng ra năng lượng

1.1.4 Vai trò của protein đối với con người

Protein - nền tảng tạo nên sức sống của cơ thể

Các cơ bắp, xương cốt và nội tạng cơ thể chủ yếu đều do protein tạo thành.Protein chính là thứ vật chất đã phát huy tác dụng quan trọng trong hoạt động của cơthể, đồng thời còn đóng vai trò chất kích thích miễn dịch trong cơ thể, là thành phầncung cấp vitamin, vật chất miễn dịch và năng lượng cho cơ thể

Cơ thể và thực phẩm đều do các axit amin khác nhau tạo nên Con người cầnđến trên 20 loại axit amin, trong đó có 8 loại không thể tự có trong cơ thể, rất cầnhấp thụ từ các món ăn, đó là isoleucin, leucin, valin, methionin, phenibalanin,threonin, tryptophan và lysin Để thoả mãn nhu cầu protein do các axit amin tạo ra,

mỗi ngày cơ thể cần ăn những món ăn có dinh dưỡng khác nhau với một lượng vừađủ.

Có thể chia nguồn protein mà con người cần hấp thụ thành 2 loại lớn:

+ Protein động vật: Loại thực phẩm có nhiều protein động vật nhất là

thịt gà có 23,3g/100g Các loại thuỷ hải sản có hàm lượng protein cao nhất, tiếp đến

là các loại thịt, cá nước ngọt, sữa, trứng

+ Protein thực vật: Thực phẩm có nhiều protein nhất là đậu vàng, cứ

100g thì có 36,6g, tiếp đến là các loại đậu khác, vừng, ngũ cốc

Phương pháp sử dụng protein

Cơ thể người nếu thiếu protein tất sẽ dẫn đến thiếu dinh dưỡng, dễ mắc cácbệnh phù thũng, loạn nhịp tim, mệt mỏi, thiếu máu, trẻ em chậm phát triển, đầu óckém minh mẫn, ảnh hưởng đến kinh nguyệt, sức đề kháng kém, ăn không ngon, cơbắp teo lại, khớp xương rã rời

Tuy nhiên cũng không thể ăn quá nhiều chất protein trong thức ăn Khi chấtprotein thay thế trong cơ thể sẽ sản sinh ra amin, nước tiểu chứa chất azote, trong đóamoniac là chất có hại, phải trải qua xử lí giải độc ở gan mới có thể từ thận bài tiết

ra ngoài, ăn nhiều protein sẽ gây hại cho gan và thận Ăn nhiều protein tuy có thểtăng cường cơ bắp nhưng nếu không tập luyện thì chất protein dư thừa chuyển hoáthành chất béo ở dưới da, cơ thể sẽ trở nên béo

1.2 Các quy trình sản xuất protein

1.2.1 Khái quát lịch sử các quy trình sản xuất protein

Thuật ngữ protein đơn bào có từ những năm 50 của thế kỷ 20 nhưng thực tếloài người đã biết sử dụng loại protein này và các chất có trong tế bào vi sinh vật từrất lâu: làm bánh mì, sữa chua, phomat, bia bằng hoạt động sống của vi sinh vật dùkhông hiểu vi sinh vật là gì Mãi đến thế kỷ 17, người ta mới biết đến vi sinh vật làmột sinh vật thứ ba sau động vật và thực vật.

Trước thế kỷ 20, việc sử dụng vi sinh vật trong các quá trình chế biến thựcphẩm hoàn toàn mang tính truyền thống và ở điều kiện tự nhiên Việc nghiên cứu vàsản xuất protein đơn bào còn xa lạ với loài người, nhất là với qui mô công nghiệp

Đầu thế kỷ thứ I, nhà máy sản xuất sinh khối nấm men được coi là nhà máy

đầu tiên sản xuất protein đơn bào tại Đức với phương pháp nuôi Candida utilis còn

gọi là “nấm men Torula” Sau đó, mối quan tâm của Đức giảm đi nhưng đến năm

1930, Đức mở phục hồi và mở rộng sản xuất, năng suất nấm men là 15.000Tấn/năm, trên cơ sở nuôi trên dịch kiềm sunfit, dịch thải của công nghiệp xenluloza,làm thực phẩm phục vụ trong quân đội và dân thường, chủ yếu là nấu canh và làmxúc xích

Sau năm 1950, phong trào sản xuất SCP lan rộng khắp Châu Âu, Mỹ Tuynhiên tất cả vẫn ở qui mô vừa và nhỏ, chủ yếu cho chăn nuôi và có thể chiết táchtinh sạch protein để làm thức ăn nhân tạo hoặc bổ sung vào các nguồn chế biến TP.Vào lúc diễn ra hội nghị lần thứ I về SCP tại Viện Kỹ thuật Massachusett (MIT)năm 1967, đa số các dự án chỉ mới nằm trong thực nghiệm, chỉ số hãng BritishPetroleum (BP) là có báo cáo về những kết quả của quá trình lên men SCP ở qui môcông nghiệp Nhưng đến hội nghị lần thứ II họp vào năm 1973 thì nhiều hãng củanhiều nước khác nhau đã bắt đầu sản xuất SCP ở qui mô công nghiệp Cũng bắt đầu

từ năm 1973, công nghiệp sản xuất SCP đã có những bước phát triển nhảy vọt doviệc sử dụng hidrocabon của dầu mỏ, khí đốt làm nguồn cabon và năng lượng rất cóhiệu quả Vậy nguyên nhân nào dẫn đến việc nhiều nước phải sản xuất SCP ? Sảnxuất SCP là nguồn protein có chất lượng cao thay thế các loại bột dinh dưỡng làm từ

các hạt chứa dầu như đậu tương hoặc bột cá dành cho động vật sẽ giải quyết được 2vấn đề:

+ Tăng nguồn đậu tương cá, và cả ngũ cốc cho dinh dưõng người

+ Các nước Châu Âu, Nga, Nhật và một số vùng khác không trồng đượcđậu tương, do đó SCP sẽ giúp cho nước đó không phụ thuộc vào việc nhập khẩuprotein

Trong tế bào vi sinh vật, ngoài hàm lượng protein tương đối lớn còn có chấtbéo, vitamin và các chất khoáng, năng suất của vi sinh vật vượt xa năng suất câytrồng và vật nuôi trong công nghiệp nhiều lần

1.2.2 Đặc điểm của sản xuất Protein đơn bào:

- Chi phí lao động ít hơn nhiều so với sản xuất nông nghiệp

- Có thể sản xuất ở bất kỳ địa điểm nào trên trái đất, không chịu ảnh hưởngcủa khí hậu thời tiết, các quá trình công nghiệp , dễ cơ khí hoá và tự động hoá

- Năng suất cao: vi sinh vật có tốc độ sinh sản mạnh, khả năng tăng trưởngnhanh Chỉ trong một thời gian ngắn có thể thu nhận được một khối lượng sinh khốirất lớn; thời gian này được tính bằng giờ, còn ở động vật và thực vật, tính bằngtháng hoặc chục năm

- Sử dụng các nguồn nguyên liệu rẻ tiền và hiệu suất chuyển hoá cao Cácnguyên liệu thường là phế phẩm, phụ phẩm của các ngành khác như rỉ đường, dịchkiềm sufit, parafin dầu mỏ v v , thậm chí cả nước thải của một quá trình sản xuấtnào đó Hiệu suất chuyển hoá cao: hidrat cacbon được chuyển hoá tới 50%,cacbuahidro tới 100% thành chất khô của tế bào

- Hàm lượng protein trong tế bào rất cao: ở vi khuẩn là 60 -70%, ở nấm men

là 40-50% chất khô v v… Hàm lượng này còn phụ thuộc vào loài và chịu nhiều ảnhhưởng của điều kiện nuôi cấy Cần chú ý rằng hàm lượng protein ở đây chỉ bao hàm

protein chứ không gồm cả thành phần nitơ phi protein khi xác định theo phươngpháp nitơ tổng số của Kjeldal, như axit nucleic, các peptit của thành phần tế bào.

- Chất lượng protein cao: Nhiều axit amin có trong vi sinh vật với hàm lượngcao, giống như trong sản phẩm của thịt, sữa và hơn hẳn protein của thực vật Protein

vi sinh vật đặc biệt giàu lizin, là một lợi thế lớn khi bổ sung thức ăn và chăn nuôi, vìtrong thức ăn thường thiếu axit amin này Trái lại, hàm lượng các axit amin chứalưu huỳnh lại thấp

- Khả năng tiêu hoá của protein: có phần hạn chế bởi thành phần phi proteinnhư axit nucleic, peptit của thành tế bào, hơn nữa, chính thành và vỏ tế bào vi sinhvật khó cho các enzim tiêu hoá đi qua

- An toàn về mặt độc tố: Trong sản xuất protien đơn bào không dùng vi sinhvật gây bệnh cũng như loài chứa thành phần độc hoặc nghi ngờ Vì vậy đến nay hầunhư SCP chỉ dùng trong dinh dưỡng động vật

- Những vấn đề kỹ thuật: Sinh khối vi sinh vật phải để tách và xử lý Vấn đềnày phụ thuộc chủ yếu vào kích thước tế bào Sinh khối nấm men dễ tách bằng litâm hơn vi khuẩn Ngoài ra, vi sinh vật nào có khả năng sinh trưởng ở mật độ cao sẽcho năng suất cao, sinh trưởng tốt ở nhiệt độ cao (có tính chất ưa nhiệt và chịunhiệt) sẽ giảm chi phí về làm nguội trong sản xuất, ít mẫn cảm với tạp nhiễm v v

sử dụng các nguồn cacbon rẻ tiền, chuyển hoá càng nhiều càng tốt thì sẽ đượcdùng trong sản xuất Vì vậy nấm men được sử dụng chủ yếu trong sản xuất proteinđơn bào

Như vậy ưu điểm của sản xuất protein đơn bào là có thể phân lập và lựa chọncác chủng vi sinh vật có ích và thích hợp cho các qui trình công nghệ, cho từngnguyên liệu 1 cách tương đối nhanh và dễ dàng

1.2.3 Sản xuất protein vi sinh vật từ dầu mỏ và khí đốt

1.2.3.1.Đặc điểm lịch sử:

- Năm 1925, Tauson đã phát hiện khả năng phân giải cacbua hydro của vi

- Năm 1940, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu sau về việc sửdụng vi sinh vật trong thăm dò và khai thác dầu khí

- Năm 1961, Fush đã nghiên cứu thống kê được 26 giống trong đó có 75 loài

vi sinh vật có khả năng phân huỷ mạch vòng

- Năm 1962, công trình đầu tiên về khả năng sử dụng dầu mỏ khí đốt để nuôicấy vi sinh vật thu nhận sinh khối giàu protein cho gia súc đã được công bố tại Hộinghị dầu mỏ quốc tế lần thứ 6 Sau đó nhiều nhà khoa học đã phân lập được 498chủng nấm men có khả năng phân giải cacbua hidro Và từ đó có nhiều nhà máy đãsản xuất được sinh khối nấm men mà sản phẩm chứa tới 60 – 70% protein

1.2.3.2 Nguyên liệu

Dầu mỏ: chỉ những phần dầu mỏ nhất định mới được vi sinh vật đồng hoá

như:

- Các alkan (paraphin) với chiều dài chuỗi C10 - C20

- Các alkin, anken, hydrocacbon thơm

- Các parafin chuỗi ngắn còn lại trong phần dầu mỏ có nhiệt độ nóng chảythấp

- Sử dụng n-parafin tinh khiết được tách từ mỏ dựa trên các nguyên tắc sàngphân tử làm cơ chất có ưu điểm là nguồn C bị tiêu thụ hoàn toàn và không để lạinhững cacbua hidro độc

Cơ chế của sự hấp thụ ankal cho đến nay cũng chưa được làm sáng tỏ đầy đủ

So với các tế bào sinh trưởng trên glucoza thì nấm men nuôi trên cacbua hidro cómàng tế bào dày hơn và có nếp nhăn Tuy nhiên các tế bào này không gặp khó khăngìtrong việc hấp thụ những cơ chất không tan trong nước được bổ sung vào môitrường với nồng độ 2 - 4%

Khí thiên nhiên

Metan: Metan là thành phần chính của khí thiên nhiên Tuy nhiên metan

không chỉ là nguyên liệu trong lòng đất mà còn được tạo thành qua con đường visinh vật nhờ sự lên men metan và được sinh ra trong các bể chứa bùn mục nát trongcácthiết bị làm sạch Nguyên tắc sản xuất protein từ khí thiên nhiên là nuôi vi khuẩntrên dịch muối amon và muối khoáng được thường xuyên thổi khí metan và khôngkhí.

Ưu nhược điểm của việc sử dụng metan:

- Khí thiên nhiên rẻ hơn dầu mỏ nhiều lần

- Phần khí không được vi sinh vật đồng hoá được loại bỏ một cách dễ dàng

Vì vậy sản phẩm rất tinh khiết và không tốn kém dung môi cho việc rửa tế bào nhưkhi sử dụng dầu mỏ làm cơ chất

Nhược điểm của việc sử dụng khí metan:

- Vi sinh vật đồng hoá khí thiên nhiên đều là các vi sinh vật hiếu khí Do đómôi trường dinh dưỡng phải thường xuyên thổi hỗn hợp khí metan và oxi hoặc làkhông khí rất dễ gây nổ Nếu nồng độ hỗn hợp khí cao rất dễ bắt lửa và nổ, cònnồng độ khí thấp thì vi sinh vật không đủ hô hấp Cả hai trường hợp không đủ dinhdưỡng và ngạt thở, vi sinh vật đều phát triển kém và hiệu suất nuôi cấy thấp

- Để thực hiện được quá trình sinh tổng hợp protein thì oxy và metan phảiđược chuyển từ tướng khí sang tướng lỏng để bọt khí mang nhiên liệu và chất oxyhoá đến các tế bào vi sinh vật đang sinh trưởng một cách nhanh chóng và thực hiệnquá trình đồng hoá Tuy nhiên, độ hoà tan của metan và oxy trong nước thấp Có thểkhắc phục bằng cách là tăng áp suất dư trong thiết bị nhưng việc chế tạo thiết bịchịu áp lực cao sẽ phức tạp và không kinh tế Hoặc đưa một dung môi hữu cơ nào

đó vào môi trường dinh dưỡng để tăng độ hoà tan của metan, nhưng sẽ làm cho visinh vật thích dung môi hơn metan và như vậy việc dùng khí thiên nhiên mất hết ýnghĩa

Metanol: Để khắc phục những nhược điểm của việc sử dụng metan, có thể sử

dụng metanol thu được từ metan nhờ sự oxy hoá hoá học Đó là nhờ những ưu điểmsau của metanol:

+ Metanol dễ tan trong nước nên có thể dùng ở nồng độ cao hơn (2-3%).+ Nhu cầu oxy của sự đồng hoá metanol là thấp hơn

+ Có thể dùng nấm men để đồng hoá metanol Mà nấm men có kích thước tếbào lớn hơn vi khuẩn nên năng lượng cần thiết cho quá trình li tâm tách sinhkhối ít hơn so với vi khuẩn sử dụng để đồng hoá metan Tính kinh tế cao hơn

Tuy nhiên dùng metanol có nhược điểm sau:

+ Metanol đắt hơn nhiều so với metan hoặc khí thiên nhiên

+ Thu hoạch tế bào từ metanol thấp hơn từ metan

Etan, propan, butan: Việc sử dụng các alkal dạng khí chuỗi ngắn chứa trongdầu mỏ như etan, propan, butan diễn ra không qua vi khuẩn đồng hoá metan mà chỉ

trong hỗn hợp quần thể chứa các cơ thể có khả năng nói trên (Mycobacterium, Nocardia, Pseudomonas).

1.2.4 Công nghệ sản xuất protein trên nguyên liệu polysacarit chưa thuỷ phân Các điều kiện kỹ thuật:

Để sản xuất sinh khối nấm men giàu protein các dạng nguyên liệu trên cầnđảm bảo các điều kiện kỹ thuật cơ bản sau:

- Nồng độ đường trong dịch nuôi cấy phải đảm bảo từ 2 -4 %

- Muối urê 3g/l

- Suphephotphat 4g/l

- Không khí vô trùng

- Thời gian nuôi từ 18 – 36 giờ

- Nhiệt độ nuôi cấy 28 – 30oC

- pH môi trường 4,5 – 5,5

Quá trình sản xuất protein là quá trình hiếu khí Vì vậy bắt buộc phải thông khí môitrường Việc cung cấp không khí có một số tác dụng sau:

+ Cung cấp O2 cho vi sinh vật tổng hợp vật chất tế bào.

+ Tách CO2 ra khỏi dung dịch nuôi cấy

+ Xáo trộn môi trường, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi chấttốt hơn

Không khí cung cấp cho quá trình sinh tổng hợp protein phải được làm sạchtrướckhi cho vào thiết bị lên men

Một yếu tố cần chú ý nữa là nồng độ đường trong quá trình nuôi cấy Khôngnên để nồng độ đường quá cao trong môi trường vì sẽ ức chế sự tăng trưởng tế bào

sẽ tạo ra nhiều sản phẩm phụ không cần thiết Do đó nồng độ đường cần khống chế

< 4 % là thích hợp

Bọt và sinh khối tràn ra ngoài trong quá trình lên men được tách trước tiêntheo phương pháp tạo thành bọt cùng với sinh khối trào ra ngoài rồi đưa đi li tâmtách Bọt và sinh khối tràn ra ngoài được thu gom lại đi xử lý bằng phương pháptuyểnnổi (flotation) rồi đưa đi li tâm qua các máy li tâm tách (Seprator), cô đặc ởchân không Sinh khối nấm men thu được ở dạng sệt có 75-80 % nước, 20-25% chấtkhôtrong đó có cacbon 40-50%, nitơ 7-10% tương ứng với 40-60% protein, hydro5-7%, oxy 25-30%, các nguyên tố vô cơ 5-10% ( photpho và kali chiếm 95-97%tổng lượng tro, số còn lại là canxi, magiê, nhôm, lưu huỳnh, clo, sắt Ngoài ra còn

có một lượng nhỏ nguyên tố Mn, Zn, Mo, Bo, Coban ) Sinh khối được đưa vàosấy ở máy sấy 2 trục hoặc sấy phun

Trong tế bào nấm men kể cả vi khuẩn, có nhiều vitamin nhóm B (trừ VTMB12): tiamin, riboflavin, axit niconitic, axit folic, đặc biệt rất giàu tiền VTM D2(ergosterin) Dưới ánh sáng tia tử ngoại (tia cực tím) ergosterin sẽ chuyển thànhVTM D2 Vì vậy trước khi đóng gói sản phẩm sinh khối nấm men được chiếu tia tửngoại để VTM hoá sản phẩm

1.2.5 Công nghệ sản xuất protein từ sắn không qua quá trình thuỷ phân ban đầu.

Nghiên cứu của Azoulay đã giúp cho hãng Adour Entreprise ( Pháp) phân lập

được một chủng nấm men Candida tropicalis có thể lên men trực tiếp sắn mà không

cần quá trình thuỷ phân ban đầu theo qui trình công nghệ như sau:

- Củ sắn được rửa, thái mỏng rồi nghiền nhỏ Hoà tan tinh bột bằng cách đunnóng > 100oC đồng thời cũng là để thanh trùng tránh nhiễm tạp khuẩn Cách xử lýnày cũnglàm phân huỷ các axit hydroxianic có trong sắn (Manihot esculenta)chuyển thành amon và axit focmic

- Lên men: quá trình lên men được thực hiện trong một nồi lên men có sụckhí Dịch lên men thu được chứa 10 – 25 kg nấm men/m3 Sau khi li tâm, dịchtrong được thu hồi để quay trở lại lên men mẻ sau, còn sinh khối nấm men chưa tới

15 % chất khô được đưa đi xử lý tiếp để thu hồi sinh khối Trong một số trường hợpchăn nuôi gia súc (lợn), có thể bổ sung trực tiếp nấm men tươi vào thức ăn màkhông cần làm khô (Inchauspe, 1986)

1.2.6 Sản xuất protein từ chuối:

Ở Encuador, nước xuất khẩu chuối hàng đầu thế giới, và nước Colombia –cũng là nước chủ chốt về xuất khẩu chuối, luôn luôn có một tỉ lệ lớn sản lượngchuối (> 25 %) không xuất khẩu được vì kém chất lượng Vì vậy chuối có thể lànguyên liệu quan trọng cho sản xuất SCP Khoảng 15000 tấn chuối có thể chuyểnhoá thành 100000 tấn sinh khối mỗi năm

1.2.7 Công nghệ sản xuất protein trên dịch thuỷ phân gỗ.

Ở Mỹ, nấm men gia súc được sản xuất từ dịch kiềm sunfit của các nhà máybột giấy

Một số công ty như công ty Enviroson Ltd đã dùng nước thải bột giấy đemkhử trùng (ở 121oC/1giờ) rồi làm nguội đến 37oC để làm cơ chất cho sự phát triển

hiếu khí của một loại vi nấm Chactomium cellulolytium Ngoài ra trong môi trường

còn bổ sung các chất dinh dưỡng khác chứa nitơ, photpho và kali Vi nấm tồn tạinhư những vật rắn dạng huyền phù, bám vào sợi xelluloza trong cơ chất và tiết raenzim xenluloza làm chuyển hoá xenluloza thành glucoza Sau khi đồng hoá đượcxenluloza, vi nấm tạo sinh khối và thải ra CO2 Đối với dịch kiềm sunfit này, cácchủng nấm men sản xuất cần được làm quen với nồng độ axit sunfurơ cao ngaytrong các bể tập trung.

Cứ mỗi tấn carbon của cơ chất thì có thể tạo ra 500kg sinh khối Sản phẩmcuối cùng chứa 40 % protein, 60% lipit, xenluloza và hydrat cacbon (với sản phẩm

có độ ẩm 5%) (theo Chemical Engineering News, 6-2-1984)

Một số nhà máy khác sử dụng công nghệ Pekilo của công ty Tampella với

chủng nấm thuộc chi Paccilomyces nuôi cấy trên dịch sunfit Trước khi lên men,

hầu hết SO2 được loại bỏ bằng cách sục bằng hơi nước qua dung dịch sunfit Đưavào nồi lên men các chất có chất dinh dưỡng khoáng như axit photphoric, KCl, khí

NH3 và sục đều bằng không khí nén Sau khi lên men, sinh khối vi nấm được tách ra

và rửa trong các máy ép lọc đến Bx = 35%, sau đó đem sấy bằng không khí nóng rồi

ép và tạo hạt

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẢO SPIRULINA

2.1 Tảo sprulina là gì?

Tảo Spirulina (Spirulina platensis) là một loài vi tảo có dạng xoắn hình lò so,

màu xanh lam với kích thước chỉ khoảng 0,25mm Chúng sống trong môi trườngnước giàu bicarbonat (HCO3) và độ kiềm cao (pH từ 8,5-11)

Năm 1964, Brandily - một nhà nhân chủng học người Pháp là người đầu tiênphát hiện ra loài tảo này trong lần khảo sát sự đa dạng sinh học tại vùng hồ ở Tchad(Châu Phi) sau khi quan sát và nhận thấy những người dân sống quanh vùng hồ nàyrất khoẻ mạnh vì họ thường vớt loại tảo này về ăn như là một loại thực phẩm chính

Hai mươi năm sau, vào những năm cuối thập kỷ tám mươi thế kỷ 20 - nhiềugiá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học của tảo Spirulina đã được khám phá vàcông bố rộng rãi không chỉ ở Pháp mà ở cả nhiều nước khác trên thế giới như Mỹ,Nhật, Canada, Mehico, Đài Loan…

Hầu hết các nghiên cứu đều đã chỉ ra rằng tảo Spirulina rất giàu protein (tới

60-70% trọng lượng khô của tảo) trong khi thịt bò loại I chỉ có 21%, thịt gà ta20,3%, thịt lợn nạc 19%, thịt chó sấn 16% Chỉ số hóa học (chemical score - C.S)của protein của tảo cũng rất cao trong đó các loại acid amin chủ yếu như leucin,isoleucin, valin, lysin, methionin và tryptophan đều có mặt với tỷ lệ vượt trội so vớichuẩn của tổ chức lương nông quốc tế (F.A.O) quy định Hệ số tiêu hóa và hệ số sửdụng protein (net protein utilization - N.P.U) rất cao (80-85% protein của tảo đượchấp thu sau 18 giờ)

Hình 2.1 Tảo spirulinaTrong 100g bột tảo chứa tới 1g (1%) acid gama linolenic (tiền thân của chấtprostaglandin, có tác dụng cùng với vitamin E chống vữa xơ động mạch, điều hòahuyết áp, bảo vệ gan và các tế bào thần kinh.

Hình 2.2 Bột tảo xoắn spirulina

Spirulina có các loại vitamin nhóm B, hàm lượng vitamin B12 cao gấp 2 lần

trong gan bò Caroten cao gấp 10 lần trong củ cà rốt Sắc tố tạo cho tảo có mầu xanhlam (phycoyanin), các nguyên tố vi lượng như K, Mg, Fe, Mn, Zn cũng rất cao cólợi cho hoạt động của hệ thần kinh và tim mạch, chống lão hóa ngăn ngừa bệnh ungthư và kích thích sự đáp ứng miễn dịch của cơ thể đối với các tác nhân có hại từ bênngoài Đặc biệt - kẽm (Zn) và các acid amin: tryptophan, arginin có trong tảo giúptăng cường khả năng hoạt động tình dục, tăng cảm giác hưng phấn tình dục ở namgiới (những người thiếu arginin có thể mắc chứng bất lực hoặc vô sinh)

Chính vì có những giá trị dinh dưỡng và giá trị sinh học đặc biệt như thế tảo

Spirulina đã được coi là một loại thực phẩm chức năng (functional food) một thức

ăn cho sức khoẻ (health food) và đã được nhiều nước, nhất là những nước côngnghiệp phát triển đưa vào nuôi trồng công nghiệp và sử dụng rộng rãi dưới nhiềudạng chế phẩm khác nhau với sản lượng hàng trăm tấn ở mỗi nước một năm, đứngđầu là các nước Mehico, Mỹ, Nhật, Đài Loan v.v…

Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu quy mô đã công nhận tảo Spirulina

là thực phẩm bảo vệ sức khỏe tốt nhất của loài người trong thế kỉ 21, là một trongnhững nguồn protein tốt nhất

Nếu so sánh với thực phẩm thông dụng như thịt, cá, rau, quả…, Spirulina với

lượng chất đạm không dưới 70% là nguồn chất đạm nhiều gấp 3 lần thịt bò 25%), hơn xa thịt gia cầm (22-30%), và vượt xa sữa tươi (3-4%) Không chỉ có thế,chất đạm trong Spirulina là tổng hợp của 20 loại acid amin vừa dễ được dung nạp,vừa rất cần thiết cho nhiều chức năng, từ hoạt động của hệ miễn nhiễm bước quakhả năng tư duy cho đến tiến trình tái tạo tế bào

(20-Spirulina bổ sung các loại sinh tố thuộc nhóm kháng ung thư, như sinh tố A

với hàm lượng cao hơn trong gan bò, sinh tố E nhiều hơn trong dầu thực vật, tiềnsinh tố A với tỷ lệ cao hơn trong rau quả Khéo hơn nữa là sự hiện diện của tập thểsinh tố B1, B2, B6, B12, PP… trong Spirulina giúp cho các acid amin trong tảođược biến dưỡng một cách tối ưu

Nhờ dồi dào về thành phần khoáng tố, như vôi, magnê, phốt-pho, kali, sắt,kẽm, selen, crôm, molybdan… với hàm lượng cao hơn trong sữa tươi, Spirulina làbiện pháp sinh học vừa kiện toàn hoạt động của hệ miễn nhiễm, vừa ổn định nhiềuquy trình biến dưỡng thông qua ảnh hưởng hài hòa trên trục thần kinh - nội tiết, để

từ đó tác động trên nhiều chức năng, từ quy trình chống loãng xương bước qua biếndưỡng chất đường cho đến tiến trình tạo huyết

Thêm vào đó, thành phần chất béo loại có cấu trúc hữu ích, như chất béo Omega, là cơ sở để Spirulina giữ vai trò tương tranh với chất mỡ trong thực phẩm

3-Nói một cách tóm lược, Spirulina không chỉ tốt nhờ thành phần toàn diện mà

nổi bật nhờ tỷ lệ lý tưởng giữa đạm, đường, béo, sinh tố, khoáng tố và chất kháng

oxy-hóa Spirulina nhờ đó là món ăn không gây gánh nặng cho đường tiêu hóa.

Ngược lại, nhờ sự hiện diện của hoạt chất trong Spirulina mà các cơ quan giải độc

như gan, thận, da hoạt động với hiệu năng tối đa

2.2 Tình hình tảo spirulina ở Việt Nam và thế giới

2.2.1 Trên thế giới

Hiện nay trên thế giới phát triển rất mạnh việc nuôi cấy tảo Spirulina và

Chlorella để thu nhận sinh khối cho người và động vật, trong đó Spirulina được sảnxuất nhiều hơn Thực tế cho thấy, 1 ha bề mặt nuôi cấy tảo thu nhận được 10- 15 tấntảo một năm, cao hơn rất nhiều so với trồng lúa Một trong những giống được sửdụng nhiều nhất là Spirulina maxima Tảo lam này phát triển thành sợi, do đó dẽ thunhận thậm chí bằng các phương pháp thủ công như cào và lọc

Từ thập niên 70, ở Nhật Bản và Mỹ tảo Spirulina đã được xem là một loại

siêu thực phẩm Đến những năm 1990, vấn đề tiêu thụ Spirulina đã tăng vượt bậc tạiTrung Quốc, Ấn Độ, châu Á, Bắc Mỹ làm cho Spirulina ngày càng trở nên phổ biến.Mexico: vào những năm 70, một công ty của Pháp đã phát hiện tảo trong hồTexcoco phát triển tốt trong môi trường kiềm có nhiều muối cacbonat Nhà máy sảnxuất công nghiệp lớn đầu tiên trên thế giới được xây dựng ở đây

Hình 2.3 Hồ Sosa Texcoco –Mexico

Năm 1979, lần đầu tiên Mexico xuất khẩu những loại thức ăn dinh dưỡng từSpirulina sang U.S.

Ở Myanmar: Việc sản xuất bắt đầu vào năm 1988 ở hồ Twin Taung Năm

1993, 30 tấn tảo được thu hoạch và tiêu thụ trong địa phương Vào năm 1999, việcsản xuất tăng lên 100 tấn/ năm Khoảng 60 % tảo được thu hoạch bằng thuyền ở bênngoài của hồ và khoảng 40 % mọc dọc theo cạnh hồ trong suốt thời kì tảo phát triển

mạnh vào mùa hè, khi Spirulina mọc thành những thảm dày bên trong hồ, người ta

dùng thuyền để thu hoạch tảo vào trong những cái thùng Sau khi thu hoạch xongđược đem đi lọc, rửa sạch với nước tinh khiết, tách nước và lặp quá trình đó một lầnnữa

Hình 2.4 Hồ Twin Taung- MyanmarSat: Những cái ao có tính kiềm xung quanh hồ Sat ở châu Phi là một vùng lýtưởng cho tảo Spirulina phát triển Phụ nữ bản xứ đã thu hoạch Spirulina và chếbiếnthành món ăn gọi là “dihé”, sản lượng thu hoạch khoảng 30 tấn/năm

Thailand: Tảo được trồng vào năm 1978 gần Bangkok Với điều kiện khí hậu