Đề tài sản xuất vitamin b12 trên quy mô công nghiệp

Công nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn Lời mở đầu Vitamin B12 loại vitamin cần thiết cho thể ngƣời Trong thể, tồn dƣới dạng bốn dẫn xuất m| ngƣời ta gọi cobalamin hoạt động nhƣ c{c yếu tố enzyme Đã có nhiều nghiên cứu chứng minh tác dụng viatmin B12 việc chữa trị bệnh thiếu máu ác tính bệnh viêm dây thần kinh Vitamin B12 có nhiều thực phẩm từ nguyên liệu động vật, thực vật chứa vitamin B12 Vì nhu cầu tổng hợp viatmin B12 quy mô công nghiệp thiết yếu, để bổ sung vitamin B12 cho ngƣời ăn chay trƣờng chữa loại bệnh thiếu vitamin B12 Trong cơng nghiệp, vitamin B12 hồn tồn đƣợc tổng hợp vi sinh vật Chúng em xin c{m ơn thầy Lê Văn Việt Mẫn tạo điều kiện cho chúng em có dịp tìm hiểu thực đề tài tiểu luận Sản xuất vitamin B12 quy mô công nghiệp, để chúng em đ{p ứng yêu cầu nắm vững kiến thức môn học Cơng nghệ lên men Trong q trình thực chúng em cố gắng nhƣng khơng thể tránh khỏi sai sót, c{m ơn thầy tận tình giúp đỡ sửa chữa để làm chúng em đƣợc hồn chỉnh Nhóm thực Công nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn PHẦN I: TỔNG QUAN I GIỚI THIỆU CHUNG Vitamin l| chất hữu không cung cấp lƣợng cho tế b|o qu{ trình ph{t triển Tuy nhiên, vai trị vitamin lại vơ quan trọng cho hoạt động sống tế b|o: vitamin thúc đẩy c{c qu{ trình trao đổi chất v| l| th|nh phần thiếu đƣợc cấu tạo nhiều loại enzym Do việc nghiên cứu, sản xuất vitamin trở nên cần thiết Vitamin đƣợc sử dụng chủ yếu ba lĩnh vực:  Y học  Thực phẩm cho ngƣời  Thức ăn gia súc C{c nh| khoa học {p dụng nhiều phƣơng ph{p kh{c công nghệ sản xuất vitamin Bao gồm c{c phƣơng ph{p sau:  Chiết rút từ nguồn nguyên liệu thực vật v| động vật  Tổng hợp hóa học  Tổng hợp sinh học Cả ba phƣơng ph{p có ƣu v| nhƣợc điểm riêng, v| phƣơng ph{p cho vitamin riêng Do để sản xuất vitamin từ c{c nguồn nguyên liệu v| phƣơng ph{p kh{c nhau, ngƣời ta thƣờng nhắm v|o hiệu phƣơng ph{p, gi{ th|nh đóng vai trị quan trọng cho việc định phƣơng ph{p sản xuất Công nghệ sản xuất vitamin theo phƣơng ph{p sinh học tập trung v|o số vitamin đặc trƣng v| có hiệu nhất, bao gồm vitamin B12, vitamin B2, hỗn hợp vitamin D2 vitamin nhóm B khác Cơng nghệ lên men thực phẩm II GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn VITAMIN B12 Giới thiệu chung Thuật ngữ vitamin B12 rộng, dùng để hợp chất có chứa cobalamin ph}n tử có chứa kim loại Coban Tại hội nghị quốc tế hóa sinh năm 1961, c{c nh| b{c học đề nghị gọi tên nhóm vitamin B12 corinoit Hiện ngƣời ta biết khoảng 100 loại chất tƣơng tự vitamin B12 số có c{c chất quan trọng thƣờng gặp nhƣ cyancobalamin (B12), hydroxycobalamin (B12 ‚b‛), nitritocobalamin (B12 ‚c‛) Hợp chất corinoit bị loại coban đƣợc gọi l| corin, cịn acid corinic corin có c{c nh{nh bên Dạng tự nhiên hợp chất cobalamin l| adenosylcobalamin, methylcobalamin hydroxocobalamin Cyanocobalamin, đƣợc định nghĩa l| vitamin B12, l| hợp chất cobalamin bền vững, đƣợc sản xuất quy mơ cơng nghiệp nhƣng khơng tìm thấy tự nhiên Vitamin B12 l| vitamin quan trọng để chữa bệnh thiếu m{u nguy hiểm v| bệnh viêm d}y thần kinh ngoại biên, đồng thời l| vitamin quan trọng cần bổ sung phần ăn động vật v| ngƣời Bởi tổng hợp vitamin B12 phƣơng ph{p hóa học khó khăn v| tốn nên ngƣời ta thƣờng sản xuất vitamin B12 đại trà phƣơng pháp lên men vi sinh vật gi{n đoạn kết hợp gi{n đoạn liên tục Tính chất vitamin B12 Vitamin B12 có cơng thức hóa học C63H90N14O14PCo  Cấu trúc hóa học vitamin B12 bao gồm: - Một mặt phẳng chứa vòng pyrol nguyên tử coban chiếm vị trí trung tâm c{c vịng - Phần thứ hai phân tử nhóm nucleotid thẳng góc với mặt phẳng, phần nucleotid bao gồm thành phần bazơ nitơ l| dimetyl benzimidazol thành phần đƣờng -D-ribofuranoza.D-D-ribofuranoza.ribofuranoza Công nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn Hình 1: Cấu trúc phân tử vitamin Vitamin B12 thƣờng dạng kết tinh, có kích thƣớc nhỏ, m|u đỏ sẫm, khơng có mùi vị Tan nƣớc, dung dịch trung tính, cồn; khơng tan eter, acetol, benzen, clorofoc Chúng bền nhiệt dạng cyamit, nhƣng tiếp xúc với kim loại nặng dễ hoạt tính, vitamin B12 khơng bền mơi trƣờng pH kiềm Có thể nói vitamin B12 có ý nghĩa quan trọng qu{ trình trao đổi chất: thiếu không đủ vitamin B12 thể ngƣời v| động vật g}y tƣợng rối loạn trao đổi chất hydratcacbon v| axit béo Cụ thể:  Vitamin B12 tham gia v|o việc sinh tổng hợp enzym metyl malomye – CoA -D-ribofuranoza mutase v| nhiều enzym quan trọng kh{c C{c enzym n|y tham gia v|o c{c phản ứng chuyển metyl v| qu{ trình tổng hợp methionin, cholin, thimin Cơng nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn  Vitamin B12 tham gia v|o việc đảm bảo hoạt động c{c quan tạo m{u v| l|m tăng cƣờng c{c phản ứng bảo vệ thể Thiếu vitamin dẫn tới tho{i hóa mỡ gan  Cùng với methionin, vitamin B12 tham gia v|o qu{ trình trao đổi nhóm methyl Vitamin B12 giúp thể tổng hợp methionin từ homosistein Hình Phân tử vitamin B12 Sản xuất vitamin B12 quy mô công nghiệp  Khi vitamin B12 đƣợc sản xuất theo quy mô cơng nghiệp ta phải quan tâm, kiểm so{t đến c{c yếu tố nhƣ giống vi sinh vật, chất sử dụng, qu{ trình phản ứng v| qu{ trình thu nhận, tinh chế sản phẩm Bản chất qu{ trình sản xuất theo quy mô công nghiệp l| sản phẩm qu{ trình có định hƣớng rõ r|ng, qui trình sản xuất đƣợc kiểm so{t từ kh}u sản xuất giống đến qu{ trình lên men v| cuối l| qu{ trình thu nhận sản phẩm  Nhƣ qu{ trình lên men công nghiệp thực chất l| thực v| kiểm so{t công việc sau: Tạo giống v| n}ng cao chất lƣợng giống Công nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn Tính to{n, thiết kế, chế tạo c{c thết bị lên men phù hợp với công nghiệp v| sản phẩm Thực c{c kĩ thuật lên men T{ch, thu nhận v| tinh chế sản phẩm - Để l|m đƣợc việc cần phải giải hai vấn đề sau: a) Kỹ thuật lên men: nghiên cứu điều kiện tối ƣu qu{ trình lên men nhƣ thiết bị, cơng nghệ…nhằm đạt đƣợc hiệu suất cao cho c{c sản phẩm mong muốn b) Kỹ thuật thu hồi sản phẩm sau lên men v| chế biến th|nh c{c dạng thƣơng phẩm, nghiên cứu c{c điều kiện trích ly, tinh chế nhằm thu đƣợc c{c chất có hoạt tính sinh học dạng tinh khiết Nhiều kỹ thuật cơng nghiệp hóa học nhƣ: lọc, kết tủa, ly t}m, kết tinh, hấp phụ, chƣng cất, sấy… đƣợc sử dụng đ}y Điều kiện kh{c cần lƣu ý tới l| c{c chất có hoạt tính sinh học thƣờng khơng bền vững với c{c điều kiện nhiệt độ, pH v| c{c yếu tố vật lý khác - Điều kiện v| phƣơng ph{p nuôi cấy vi sinh vật có ảnh hƣởng đến hình thành thành phần tính chất chất lỏng canh trƣờng Các chế độ sinh tổng hợp cần hƣớng tới kết thu nhận mơi trƣờng có chất tạp chất khác lại tồi thiểu có nồng độ sản phẩm mong muốn cực đại Công nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn PHẦN II: NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT Sản xuất vitamin B12 công nghiệp từ nguyên liệu vi sinh vật v| rỉ đƣờng hay hèm rƣợu, dịch whey I VI SINH VẬT Yêu cầu nguyên liệu Trong công nghệ lên men, giống vi sinh vật đóng vai trị quan trọng, ảnh hƣởng đến suất, chất lƣợng v| gi{ th|nh sản phẩm Nhƣ vậy, giống vi sinh vật sử dụng công nghệ lên men vitamin B12 phải thỏa mãn yêu cầu sau: Giống vi sinh vật phải cho vitamin B12 có chất lƣợng v| số lƣợng cao hẳn c{c sản phẩm phụ kh{c Năng suất cao Phải có khả đồng hóa c{c nguyên liệu rẻ tiền v| dễ kiếm Sản phẩm qu{ trình phải dễ d|ng t{ch khỏi c{c tạp chất môi trƣờng v| sinh khối vi sinh vật giống Vi sinh vật phải khiết Vi sinh vật phải có tính thích nghi cao, đặc biệt phải thích nghi với điều kiện sản xuất cơng nghiệp, ổn định nhiệt độ, {p suất thẩm thấu, pH Giống phải có tốc độ sinh sản v| ph{t triển mạnh điều kiện môi trƣờng công nghiệp Tốc độ trao đổi chất mạnh để nhanh tạo sản phẩm mong muốn Giống phải ổn định bảo quản v| điều kiện bảo quản dễ d|ng Vi sinh vật sản xuất vitamin B12 - Hiện nay, khoa học kh{m kh{ nhiều vi sinh vật tham gia qu{ trình sinh tổng hợp vitamin B12 Một số quy trình sản xuất vitamin đƣợc biết đến l| quy trình sản xuất vitamin từ vi khuẩn Propionic, từ xạ khuẩn Actinomyces olivacens, v| vi khuẩn sinh khí metan Cơng nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn - Một số vi khuẩn có khả sản xuất vitamin: Agrobacterium tumefaciens, Agrobacterium sticklandii, Clostridium radiobacter, Bacillus tetanomorphum, megaterium, Clostridium Clostridium thermoaceticum, Corynebacterium XG, Eubacterium limosum, Methanobacterium arbophilicum, Methanobacterium ivanovii, Methanobacterium ruminantium, Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkeri, Propionibacterium freudenreichii, Propionobacterium shermanii, Protaminobacter ruber, Pseudomonas denitrificans, Pseudomonas putida, Rhizobium meliloti, Rhodopseudomonas sphaeroides, Salmonella typhimurium, Spirulina platensis, Streptomyces antibioticus, Streptomyces aureofaciens, Streptomyces griseus, Streptomyces olivaceus , ngồi cịn có giống thuộc xạ khuẩn Actinomyces Hình 3: Vi khuẩn Propionibacterium freudenreichii - Trƣớc đ}y, ngƣời ta sử dụng chủ yếu Streptomyces griseus để sản xuất vitamin quy mô công nghiệp nhƣng vi khuẩn Propionibacterium shermanii Pseudomonas denitrificans thay ho|n to|n vi khuẩn Streptomyces - Nguyên nhân: Vitamin B12 l| sản phẩm phụ sản phẩm Streptomixin nhờ Streptomyces griseus hay l| sản phẩm phụ qu{ trình sản xuất Clotetracyclin nhờ Str Aureofaciens C{c qu{ trình n|y thƣờng tạo đƣợc lƣợng vitamin B12 mg/l dịch ni cấy nên khó t{ch 10 Cơng nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn Việc sản xuất dựa v|o Propionibacterium shermanii hay P freudenreichii cho hiệu suất vitamin cao Tế b|o c{c vi khuẩn n|y chứa lƣợng vitamin khoảng 20 mg/l 2.1 Vi khuẩn propionic a Phân loại vi khuẩn propionic - Đặc điểm chung:  Vi khuẩn propionic loại vi khuẩn Gram dƣơng, không di động, không sinh bào tử, kị khí khơng bắt buộc  Chúng có hình cầu, xếp th|nh đôi chuỗi  Nhiệt độ sinh trƣởng tối ƣu vi khuẩn 300C.Lƣợng G+C DNA chúng nằm khoảng 53-D-ribofuranoza.67 mol% - Phân loại: vi khuẩn Propionic đƣợc phân loại thành nhóm:  Nhóm vi khuẩn propionic sống sản phẩm sữa Chúng phát triển môi trƣờng phômai sữa Trên sở tính tƣơng đồng DNA thành phần cấu tạo thành tế bào, nhóm vi khuẩn propionic sống sản phẩm sữa đƣợc phân loại thành loài: Propionibacterium freudenreichii, P jensenii, P.theonii, P.acidipropionici, P.coccoides P.cyclohexanicum  Nhóm vi khuẩn propionic sống da Mơi trƣờng sống giống propionic sống da l| da ngƣời.Nhóm vi khuẩn sống da đƣợc phân loại thành lồi: P.acnes, P.avidium, P.granulosum, P.lymphophilums, P.propionicum Propioniferax innocua Nhóm vi khuẩn sống da có dạng que, kị khí  Tr{i ngƣợc với vi khuẩn propionic sống da, nhóm vi khuẩn propionic sống sản phẩm sữa khơng sản sinh indole khơng thể hóa lỏng gelatin Hơn nữa, hai nhóm đƣợc phân biệt rõ dựa vào đặc điểm sinh lý học Do đó, hai nhóm vi khuẩn propionic khác chủ yếu dựa môi trƣờng sống tự nhiên chúng 11 Công nghệ lên men thực phẩm GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn b Đặc điểm vi khuẩn Propionibacterium shermanii Hình Vi khuẩn Propionibacterium shermanii Trong giống vi khuẩn tham gia tổng hợp vitamin B12 có giống Propionibacterium shermanii giống có nhiều ƣu điểm đƣa v|o sản xuất cơng nghiệp Vi khuẩn có số đặc điểm quan trọng đƣợc tóm tắt nhƣ sau: Chúng có khả lên men acid lactic, glycerol, glucose, fructose, manit, lactose Khoảng pH hoạt động 4,5 -D-ribofuranoza 7,5, pH tối ƣu cho việc sinh tổng hợp vitamin B12 5,8-D-ribofuranoza.7,5 Nhiệt độ thích hợp cho sinh tổng hợp vitamin B12 28 -D-ribofuranoza 300C Các chất dinh dƣỡng cho phát triển bao gồm muối amon, nƣớc amoniac, CoCl2 Co(NO3)2; kim loại nhƣ Fe, Cu, Zn, Mn thƣờng làm giảm trình sinh tổng hợp vitamin B12 C{c vitamin l|m tăng hiệu suất tổng hợp B12 bao gồm thiamin, biotin, acid nicotinic, acid tolic 2.2 Xạ khuẩn Actinomyces Trong tất giống thuộc Actinomyces có giống Actinomyces olivaceus có khả tổng hợp vitamin B12 cao v| chúng đƣợc sử dụng để sản xuất vitamin B12 theo quy mô công nghiệp Một số đặc điểm quan trọng giống xạ khuẩn n|y đƣợc tóm tắt nhƣ sau: Xạ khuẩn Act Olivacens thuộc loại hiếu khí 12