10 Phát triển và thương mại hóa lipid chức năng dựa trên vi tảo Jaouad Fichtali and S P J Namal Senanayake 10 1 GIỚI THIỆU Vi tảo là một nhóm sinh vật rất đa dạng bao gồm cả sinh vật nhân sơ và các dạ[.]
10 Phát triển thương mại hóa lipid chức dựa vi tảo Jaouad Fichtali and S.P.J Namal Senanayake 10.1 GIỚI THIỆU Vi tảo nhóm sinh vật đa dạng bao gồm sinh vật nhân sơ dạng sinh vật nhân thực Crypthecodinium cohnii loại tảo biển đơn bào, không quang hợp, tảo đơn bào hai roi tìm thấy tự nhiên với rong biển phân hủy Rõ ràng C cohnii có lẽ nguồn dầu triacylglycerol (TAG) giàu axit docosahex aenoic (DHA; 22:6n-3) không chứa tất axit béo không bão hịa đa khác (PUFA), làm cho khơng có cấu hình axit béo độc đáo mà cịn ưa chuộng mặt thương mại Bởi phát triển dễ dàng lò phản ứng sinh học, nguồn DHA lý tưởng Vì lí trên, C cohnii đại diện cho loại vi tảo đầy hứa hẹn để sản xuất DHA thương mại Schizochytrium sp thraustochytrid thành viên giới thực vật nguyên sinh Thraustochytrids sinh vật đơn bào tạo hàm lượng PUFA chuỗi dài dầu cao Khơng có báo cáo độc tính khả gây bệnh liên quan đến Schizochytrium tài liệu (Hammond et al 2002), khơng chứa độc tố tảo xác định phương pháp phân tích C cohnii Schizochytrium sp lựa chọn đặc biệt để sản xuất thương mại chúng nuôi cấy nhiều năm tất nghiên cứu sử dụng loài chưa có dấu hiệu khả gây bệnh độc tính Ni cấy thành công C cohnii Schizochytrium sp để sản xuất lipid tảo thương mại có chứa DHA đạt Tập đoàn Khoa học Sinh học Martek Hoa Kỳ 10.2 SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP LIPID VI TẢO 10.2.1 Lên men: C cohnii Schizochytrium sp trồng phương pháp lên men dị dưỡng Quá trình lên men dị dưỡng không phụ thuộc vào ánh sáng xảy lị phản ứng sinh học, vận hành hồn tồn axeni (chỉ ni cấy loài) điều kiện tối ưu kiểm sốt Các lợi ích khác q trình lên men dị dưỡng bao gồm nồng độ sinh khối cao hơn, tăng khả tái sản xuất mở rộng quy mơ đơn giản quy trình lên men Tiềm sản xuất DHA công nghiệp vi tảo chủ yếu phụ thuộc vào việc lựa chọn chủng cho thành phần axit béo, suất khả thích ứng với chất lên men Vì vi tảo phụ thuộc nhiều vào mơi trường q trình tổng hợp axit béo, đặc biệt PUFAs, bị ảnh hưởng nhiều thông số, chẳng hạn tuổi nuôi, độ mặn, thành phần mơi trường, nhiệt độ sục khí, quy trình lên men hiệu chi phí nên thiết lập thơng qua Hình 10.1 Các tế bào C cohnii cho thấy nồng độ cao thể dầu giàu DHA khảo sát có hệ thống tác động điều kiện môi trường dinh dưỡng khác việc sử dụng chiến lược mật độ tế bào cao khác để tăng trưởng sản xuất DHA vi tảo chọn Các chủng sản xuất lựa chọn để tăng trưởng nhanh mức độ sản xuất cao loại dầu cụ thể Ngân hàng hạt giống tất chủng trì điều kiện nitơ lỏng hạt giống hoạt động, chuẩn bị từ ngân hàng hạt giống này, trì phương pháp đơng lạnh Khi bắt đầu trình sản xuất, ống thuốc từ hạt hoạt động sử dụng để cấy vào bình lắc Môi trường nuôi C cohnii Schizochytrium sp từ bình lắc đến quy mơ sản xuất chứa nguồn carbon, nguồn nitơ, muối số chất vi lượng khác Các dung dịch chuyển liên tiếp sang thiết bị lên men lớn dựa thông số tăng trưởng cụ thể Trong suốt trình, nồng độ chất carbon, pH, nhiệt độ, áp suất, luồng khơng khí, khuấy trộn oxy hịa tan theo dõi kiểm soát thường xuyên Tất trình lên men liên quan đến sản phẩm có giá trị cao yêu cầu nuôi cấy axenic.Do đó, giai đoạn chuyển trình tự cấy, mẫu canh thang mạ để thiết lập độ tinh khiết vi sinh vật Ngoài ra, độ tinh khiết dịch cấy theo dõi 24 lần cách quan sát mẫu thủ công kính hiển vi mạ mẫu mơi trường nuôi cấy số điều kiện để xác nhận diện hay vắng mặt nhiễm vi sinh vật Trong bình lên men cuối cùng, chủng vi khuẩn phép vào giới hạn nitơ, chúng bắt đầu tạo sản phẩm bảo quản, TAG, có hàm lượng DHA cao Trong giai đoạn tích lũy lipid này, tế bào C cohnii roi trở thành tế bào 'giống nang' chứa thể lipid giàu DHA (Hình 10.1) Phần lipid giai đoạn chiếm nửa trọng lượng khô tế bào tế bào sẵn sàng cho thu hoạch 10.2.2 Thu hoạch Quá trình xử lý ngược dòng vi tảo giàu DHA bao gồm nhiều kỹ thuật tách chất rắn-lỏng Khi kết thúc q trình lên men, sinh khối cần tách khỏi môi trường nuôi cấy thông qua trình ly tâm, lọc, lắng cặn keo tụ Bảng 10.1 cung cấp thông tin số máy ly tâm lọc sử dụng để thu hồi vi tảo Bảng 10.1 Hiệu suất máy ly tâm lọc sử dụng để thu hoạch vi tảo Phương pháp thu hoạch Ly tâm Lọc áp suất Lọc chân không Chế độ hoạt động Thủ công, khơng liên tục liên tục Loại quy trình đặc Một bước Westfalia, Alfa Laval Westfalia, Alfa Laval Liên tục Liên tục Đối với cô đặc cuối Đối với q trình đặc sơ đặc cuối Giỏ lọc Seitz, Dinglinger Không liên tục Đối với q trình đặc sơ Máy ép buồng lọc Netzsch Không liên tục Một bước Bộ lọc hút Seitz Khơng liên tục Đối với q trình đặc sơ Bộ lọc trống chân không Dorr Olliver Liên tục Một bước Máy ép lọc đai Dinglinger, Tefsa-USA Liên tục Đối với q trình đặc sơ Thiết bị Máy ly tâm ngăn xếp đĩa Nhà sản xuất Westfalia, Alfa Laval Máy ly tâm gạn Máy ly tâm vòi phun 10.2.2.1 Ly tâm Ly tâm thường coi phương pháp thu hoạch vi tảo ưa thích Máy ly tâm phần thiết bị, thường điều khiển động cơ, đưa vật thể vào quay quanh trục cố định, tác dụng lực vng góc với trục Ly tâm q trình liên quan đến việc sử dụng lực hướng tâm để tách hỗn hợp, sử dụng công nghiệp mơi trường phịng thí nghiệm Các thành phần dày đặc hỗn hợp di chuyển từ trục máy ly tâm, thành phần đậm đặc hỗn hợp di chuyển phía trục Tốc độ ly tâm định gia tốc áp dụng cho mẫu, thường đo số vòng quay phút (rpm) bội số tương đương lực hấp dẫn trái đất (g's) Vận tốc lắng hạt trình ly tâm hàm kích thước hình dạng chúng, gia tốc ly tâm, phần thể tích chất rắn diện, chênh lệch mật độ hạt chất lỏng, độ nhớt Việc lựa chọn máy ly tâm để thu hoạch vi tảo liên quan đến việc đánh giá quy mơ thí điểm tốn Một số thử nghiệm ly tâm lắng trọng lượng đơn giản quy mơ phịng thí nghiệm cung cấp dấu hiệu hiệu trình phân tách thơng qua ly tâm Có số loại máy ly tâm khác sử dụng: máy ly tâm xếp đĩa, bát, bát hình ống máy ly tâm xả cuộn, tùy thuộc vào kích thước hạt sinh khối ướt Máy ly tâm ngăn xếp đĩa có nhiều loại tùy thuộc vào việc chất rắn thải hay giữ lại chế thải chất rắn Máy ly tâm ngăn xếp đĩa phù hợp với nhiều nhiệm vụ phân tách liên quan đến nồng độ chất rắn thấp kích thước hạt giọt nhỏ Máy ly tâm ngăn xếp đĩa thường có bốn phần chính: khu vực đầu vào, khu vực ngăn xếp đĩa, phần xả chất lỏng phần xả chất rắn Máy ly tâm ngăn xếp đĩa tách chất rắn khỏi pha lỏng quy trình liên tục cách sử dụng lực ly tâm cực cao Khi chất rắn đặc chịu tác dụng lực vậy, chúng bị ép so với thành bát quay, pha lỏng đậm đặc hình thành lớp đồng tâm bên Khu vực mà hai pha lỏng khác gặp gọi để làm vị trí giao diện Điều dễ dàng thay đổi để đảm bảo phân tách diễn với hiệu cao Chèn đĩa đặc biệt (chồng đĩa) cung cấp thêm diện tích lắng bề mặt, góp phần đẩy nhanh q trình tách đáng kể Chính cấu hình, hình dạng thiết kế đặc biệt ngăn xếp đĩa giúp loại máy ly tâm thực việc tách liên tục nhiều loại chất rắn khác khỏi pha lỏng Các chất rắn đặc hình thành loại bỏ thủ công, liên tục không liên tục, tùy thuộc vào loại máy ly tâm lượng chất rắn có ứng dụng cụ thể Máy ly tâm bát hình ống sử dụng lâu hầu hết thiết kế máy ly tâm khác Nó thường vận hành theo chiều dọc, rơto hình ống cung cấp đường dẫn dòng chảy dài, cho phép làm dung dịch Máy ly tâm bát hình ống dựa hình học đơn giản: hình thành ống, có chiều dài gấp nhiều lần đường kính nó, quay ổ trục đầu Luồng quy trình vào đáy máy ly tâm lực ly tâm cao hoạt động để tách chất rắn Phần lớn chất rắn bám thành bát, pha lỏng thoát phía máy ly tâm Vì loại hệ thống thiếu khả loại bỏ chất rắn, chất rắn loại bỏ cách dừng máy, tháo dỡ máy cạo xả chất rắn ngồi tay Bát hình ống đạt lực g cao cho phép loại bỏ nước rắn tốt Tuy nhiên, khả rắn máy ly tâm bát hình ống hạn chế Tạo bọt vấn đề trừ hệ thống bao gồm máy bơm hướng tâm máy bơm hướng tâm đặc biệt Loại máy ly tâm phù hợp với lượng nhỏ dịch lên men pha loãng Máy ly tâm gạn dựa khái niệm đơn giản bể lắng, chất rắn rơi xuống đáy lực hấp dẫn Tuy nhiên, máy ly tâm gạn thiết kế để cung cấp trình tách chất rắn học liên tục khỏi pha lỏng, để bắt kịp với nhu cầu công nghiệp đại Bộ gạn xả cuộn bao gồm bát đặc, thuôn nhọn đầu vít xoắn ốc vừa khít, quay với tốc độ khác so với bát Lực ly tâm nhỏ (4000–10.000g) độ dịch lên men không tốt máy ly tâm ngăn xếp đĩa Bình gạn xả dạng cuộn phù hợp với bùn có hàm lượng chất rắn cao (lên đến 80% v/v chất rắn) Tùy thuộc vào cấu hình thiết bị cụ thể, máy ly tâm gạn sử dụng để tách nhiều loại chất rắn khác khỏi pha lỏng cách liên tục 10.2.2.2 Lọc Lọc hoạt động học/vật lý, sử dụng để tách chất rắn khỏi chất lỏng cách xen kẽ mơi trường dịng chất lỏng mà chất lỏng qua, chất rắn chất lỏng giữ lại Mức độ phân tách phụ thuộc vào kích thước lỗ độ dày môi trường, chế xảy q trình lọc Có thể thực lọc điều kiện khác nhau, số yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn loại thiết bị phù hợp để đáp ứng yêu cầu quy định với chi phí tối thiểu, bao gồm (a) tính chất vật lý dịch lọc (nghĩa độ nhớt tỷ trọng), (b) chất hạt rắn (tức kích thước, hình dạng đặc điểm đóng gói), (c) tỷ lệ chất rắn chất lỏng, (d) quy mô vận hành, (e) vận hành theo mẻ liên tục, (f) vận hành áp suất chân không (g) nhu cầu điều kiện vô trùng Phương pháp lọc đơn giản cho dung dịch chất rắn chất lỏng qua mặt phân cách xốp để chất rắn bị giữ lại chất lỏng qua Nguyên tắc dựa khác biệt kích thước hạt tạo nên chất lỏng hạt tạo nên chất rắn Trong phịng thí nghiệm, người ta thường sử dụng phễu Buchner, với giấy lọc đóng vai trị màng ngăn xốp Bộ lọc trống quay chân không lọc buồng ép dường loại lọc sử dụng phổ biến để thu hồi sinh khối từ nuôi cấy vi tảo đại trà (Mohn 1980) Các lọc có ưu điểm hoạt động liên tục hữu ích yêu cầu vô trùng không khắt khe Bộ lọc quay có sẵn để lọc chân khơng áp suất Bộ lọc trống chân không quay lọc lâu đời áp dụng cho lọc chất lỏng công nghiệp Bộ lọc trống quay bao gồm khung trống phủ vải lọc Một nửa trống ngập bùn tảo, nửa lại Khi trống quay, bùn tảo hút vào vải Khi trống quay khỏi bùn, bánh làm khô Việc làm khô chân không liên tục hút qua bánh phần tiếp xúc trống Khi kết thúc chu trình quay, bánh lọc thải ngồi q trình tiếp tục lặp lại Các lọc bao gồm miếng vải trống hàn vào trống chúng sử dụng đai vơ tận, theo dõi thải khỏi trống Màng vi lọc siêu lọc lựa chọn thay cho q trình lọc thơng thường để thu hồi sinh khối vi tảo Vi lọc phù hợp để phục hồi tế bào mỏng manh (Petrusevski et al 1995) Tuy nhiên, để sản xuất sinh khối tảo quy mơ lớn, cơng nghệ lọc màng khơng phải quy trình khả thi Các trang trại ni trồng thủy sản nhỏ thường sử dụng màng lọc để thu hoạch tế bào tảo để nuôi ấu trùng động vật có vỏ (Borowitzka 1997) Sự phục hồi hai giới tảo khác (khác kích thước) sử dụng phương pháp lọc điều kiện áp suất chân không đánh giá Mohn (1980) Máy ép đai máy ép lọc buồng cho thiết bị phù hợp hoạt động điều kiện áp suất chân không (Bảng 10.1) Sấy phun Sấy phun trở thành phương pháp quan trọng để khử nước thực phẩm lỏng nước phương Tây Sấy phun liên quan đến việc nguyên tử hóa nguyên liệu lỏng thành tia nhỏ giọt cho giọt tiếp xúc với khơng khí nóng buồng sấy Mơi trường sấy khơ thường khơng khí Quá trình sấy tiến hành đạt độ ẩm mong muốn hạt phun sau sản phẩm tách khỏi khơng khí Các bình xịt sản xuất máy phun quay vòi phun Sự bay ẩm từ giọt hình thành hạt khơ diễn điều kiện nhiệt độ luồng khơng khí kiểm sốt Ngay giọt phun tiếp xúc với khơng khí khơ, q trình bay diễn từ màng bão hịa, nhanh chóng thiết lập bề mặt giọt Do diện tích bề mặt riêng cao chênh lệch nhiệt độ độ ẩm có, truyền nhiệt khối lượng lớn dẫn đến trình sấy khô hiệu Sự bay dẫn đến làm mát giọt dẫn đến tải nhiệt nhỏ Bột xả liên tục từ buồng sấy Điều kiện vận hành thiết kế máy sấy lựa chọn theo đặc tính sấy sản phẩm đặc điểm kỹ thuật bột Mỗi máy sấy phun bao gồm bơm cấp liệu, phun sương, gia nhiệt khơng khí, phân tán khơng khí, buồng sấy hệ thống làm khí thải thu hồi bột Đặc tính sấy khơ đa dạng u cầu chất lượng sản phẩm sấy phun khác định việc lựa chọn phun, kiểu luồng khơng khí phù hợp thiết kế buồng sấy Đối với hoạt động máy sấy phun, thông thường, cô đặc trước chất lỏng nhiều tốt số lý do: (a) tiết kiệm vận hành, (b) tăng công suất, (c) tăng kích thước hạt, (d) tăng mật độ hạt, (e) tách bột hiệu (f) cải thiện khả phân tán sản phẩm Máy sấy phun làm khơ sản phẩm nhanh so với phương pháp sấy khơ khác Nó biến dung dịch, bùn, thành bột khô bước nhất, điều thuận lợi cho việc tối đa hóa lợi nhuận đơn giản hóa quy trình Nhiệt độ tương đối cao cần thiết cho hoạt động sấy phun Tuy nhiên, thiệt hại nhiệt sản phẩm nói chung nhẹ hiệu ứng làm mát bay giai đoạn sấy khô quan trọng thời gian vật liệu khô tiếp xúc với nhiệt độ cao ngắn Nhiệt độ bề mặt điển hình hạt giai đoạn sấy khơ liên tục tương đối thấp (45–50◦C) Vì lý này, phun khô số huyền phù tảo mà không phá hủy sinh vật Các tính chất vật lý sản phẩm có liên quan mật thiết với cấu trúc bột, tạo q trình sấy phun Có thể kiểm soát nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc bột để đạt đặc tính mong muốn Trách nhiệm quan trọng người vận hành máy sấy phun trì độ ẩm khơng đổi bột Điều cần thiết để đáp ứng tiêu chuẩn pháp lý để trì chất lượng đồng Điều quan trọng phải hiểu làm kiểm sốt độ ẩm cuối cách thay đổi điều kiện vận hành Nhưng trước tiên, cần lưu ý độ ẩm cuối kiểm sốt độ ẩm tương đối khơng khí Nếu giá trị q cao, hạt bột hấp thụ độ ẩm thay loại bỏ độ ẩm Các điều kiện mà người vận hành kiểm sốt trực tiếp (a) nhiệt độ đầu vào, (b) tốc độ dòng chảy chất lỏng cấp (tốc độ bơm áp suất bơm), (c) tốc độ dịng khí (tốc độ quạt vị trí vách ngăn) (d ) kích thước hạt (điều chỉnh phun) Trong số điều kiện vận hành khác, nhiệt độ đầu độ ẩm tương đối khơng khí đầu đặc biệt quan trọng cần ý cẩn thận Tuy nhiên, điều kiểm sốt gián tiếp cách điều chỉnh điều kiện Đối với nhiệt độ đầu ra, điều kiện phụ thuộc vào lượng chất lỏng nạp vào Nếu lượng nguyên liệu nạp vào tăng lên, nhiệt độ đầu giảm xuống Nếu lượng hút vào giảm, nhiệt độ đầu tăng tiến gần đến nhiệt độ đầu vào Nhiệt độ đầu bị ảnh hưởng tốc độ dịng khí Đối với nhiệt độ đầu vào không đổi lượng nguyên liệu nạp vào không đổi, gia tăng luồng khơng khí làm tăng nhiệt độ đầu Đơng khơ Đơng khơ q trình loại bỏ nước khỏi sản phẩm cách thăng hoa giải hấp Quá trình thực thiết bị đông khô, bao gồm buồng sấy khô với kệ kiểm sốt nhiệt độ, bình ngưng để giữ nước lấy khỏi sản phẩm, hệ thống làm mát để cung cấp chất làm lạnh cho kệ bình ngưng, hệ thống chân không để giảm áp suất sản phẩm , buồng bình ngưng để tạo điều kiện thuận lợi cho q trình sấy khơ Chu kỳ đơng khơ bao gồm ba giai đoạn: đóng băng, sấy khơ sơ cấp sấy khô thứ cấp Các điều kiện máy sấy thay đổi suốt chu kỳ để đảm bảo sản phẩm thu có tính chất vật lý hóa học mong muốn đạt độ ổn định cần thiết Trong giai đoạn làm đơng mục đích làm đơng nước lưu động sản phẩm Có thể xảy tượng siêu lạnh đáng kể, nhiệt độ sản phẩm phải thấp nhiều so với điểm đóng băng thực tế dung dịch trước xảy tượng đóng băng Tốc độ làm mát ảnh hưởng đến cấu trúc nguyên liệu Nếu nước đóng băng nhanh, tinh thể băng nhỏ Điều tạo cấu trúc lỗ rỗng mịn sản phẩm với khả chống lại luồng nước cao thời gian sấy sơ cấp lâu Nếu đóng băng chậm hơn, tinh thể băng phát triển từ bề mặt làm mát lớn Sản phẩm thu có cấu trúc lỗ rỗng thơ có lẽ thời gian sấy sơ cấp ngắn Trong giai đoạn sấy sơ cấp, áp suất buồng giảm xuống nhiệt truyền vào sản phẩm để làm cho nước di động đông lạnh thăng hoa Hơi nước thu thập bề mặt bình ngưng Bình ngưng phải có đủ diện tích bề mặt khả làm mát để giữ tất nước thăng hoa từ mẻ nhiệt độ thấp nhiệt độ sản phẩm Nếu nhiệt độ băng bình ngưng cao nhiệt độ sản phẩm, nước có xu hướng di chuyển phía sản phẩm q trình sấy dừng lại Bảng 10.2 Các kỹ thuật thí điểm quy mô công nghiệp để phá vỡ tế bào vi tảo Phương pháp Kỹ thuật Nguyên lý Vật lý Đồng áp suất cao Các tế bào buộc qua lỗ nhỏ bị phá vỡ lực cắt cao Bằng cách định hướng dịng chất lỏng chứa Vi lỏng hóa vi kênh xác định xác đặt chúng vào Phay hạt Các tế bào bị phá vỡ lực học cao Siêu âm Các tế bào bị phá vỡ xâm thực siêu âm Các tế bào bị nghiền nát bóng thủy tinh Nghiền thép Mài Các tế bào bị vỡ cách mài với chất mài mòn Sốc thẩm thấu Phá vỡ thẩm thấu màng tế bào gây xà phịng hóa Hóa học Kiềm Hịa tan màng tế bào gây xà phịng hóa lipid Acid Hòa tan màng tế bào Chất tẩy Hòa tan màng tế bào Dung môi hữu Làm tan vách tế bào Sinh học Enzyme Thành tế bào tiêu hóa, cung cấp tan rã Điều quan trọng phải kiểm soát tốc độ sấy tốc độ gia nhiệt giai đoạn Nếu trình sấy diễn q nhanh, sản phẩm sấy khơ bị dịch chuyển khỏi vật chứa nước Nếu sản phẩm làm nóng q nhanh, bị chảy xẹp Điều gây xuống cấp sản phẩm thay đổi đặc tính vật lý vật liệu sấy khơ, khiến khó hồn ngun trơng khơng bắt mắt Trong có nước di động đóng băng, sản phẩm phải giữ nhiệt độ eutetic nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh 10.2.3 Phá vỡ tế bào Sự phá vỡ tế bào vi tảo tập trung vào việc thu sản phẩm mong muốn từ bên tế bào, thành tế bào phải bị phá vỡ phép nội dung tế bào ngồi Việc lựa chọn phương pháp phá vỡ khác tùy thuộc vào loại tế bào cấu trúc thành tế bào cụ thể Mục tiêu phá vỡ tế bào (a) hòa tan lượng sản phẩm tối đa có tế bào trì hoạt tính sinh học tối ưu, (b) tránh thay đổi thứ cấp sản phẩm (c) hạn chế tác động bất lợi phá vỡ trình xử lý bước Một loạt phương pháp phân rã phát triển để cố gắng đạt mục tiêu Chúng nhóm thành phương pháp vật lý, hóa học sinh học, tùy thuộc vào tác động gây phân hủy (Bảng 10.2) Phương pháp chọn để phá vỡ tế bào quy mô lớn khác trường hợp, phụ thuộc vào (a) tính nhạy cảm tế bào phá vỡ, (b) tính ổn định sản phẩm, (c) khả chiết xuất dễ dàng từ mảnh vụn tế bào, (d) tốc độ phương pháp (e) chi phí phương pháp Bất kể phương pháp nào, gián đoạn phải hiệu sản phẩm phải trì dạng hoạt động Hiện tại, sản phẩm nội bào giải phóng khỏi tế bào vi tảo, chủ yếu phá vỡ học tế bào Trong trình này, lớp vỏ tế bào bị phá vỡ mặt vật lý, giải phóng tất thành phần nội bào vào môi trường xung quanh Phương pháp phá vỡ tế bào học chịu nhiều nhược điểm Bởi tế bào bị phá vỡ hoàn toàn, tất vật liệu nội bào giải phóng Do đó, sản phẩm quan tâm phải tách khỏi hỗn hợp phức tạp gồm protein, axit nucleic mảnh thành tế bào Axit nucleic giải phóng làm tăng độ nhớt dung dịch làm phức tạp bước xử lý Các mảnh vỡ tế bào, tạo phương pháp học, thường bao gồm mảnh tế bào nhỏ, làm cho giải pháp khó làm rõ Thơng thường, sản phẩm hồn chỉnh thường địi hỏi q trình sản xuất trải qua nhiều lần thiết bị gây gián đoạn, làm trầm trọng thêm vấn đề cách giảm kích thước mảnh Những chất có kích thước nhỏ li ti khó loại bỏ cách ly tâm liên tục thơng lượng thiết bị tỷ lệ nghịch với kích thước hạt Q trình lọc phức tạp chất sệt chất đồng xu hướng tạo màng Hơn nữa, phương pháp học khiến tế bào, đó, sản phẩm chiết xuất tiếp xúc với điều kiện khắc nghiệt Trong số thiết bị khác , thiết bị để phá vỡ tế bào thường sử dụng (a) máy nghiền hạt, (b) máy đồng hóa áp suất cao (c) siêu âm 10.2.3.1 Máy nghiền hạt Các máy nghiền hạt bao gồm buồng nghiền nằm ngang chứa bánh công tác đĩa quay gắn đồng tâm lệch tâm, trục truyền động động Hoạt động mài hạt thủy tinh nhựa thường chiếm 80–85% thể tích làm việc buồng Máy nghiền hạt thường vận hành chế độ hàng loạt liên tục Các hạt giữ lại buồng nghiền sàng thiết bị tương tự để giữ lại hạt Các đơn vị yêu cầu hệ thống làm mát công suất cao Các đơn vị ngang ưu tiên cho phá vỡ tế bào để giảm hiệu ứng hóa lỏng đơn vị dọc Các tham số liên quan đến quy trình nhiều bao gồm loại kích thước hạt, cấu hình đĩa/cánh quạt, tốc độ đĩa/cánh quạt, tải trọng mật độ, thuộc tính tế bào, nồng độ tế bào, tốc độ dịng nạp quy trình thời gian lưu, số thông số khác Với số lượng lớn biến số cần tối ưu hóa để phá vỡ tế bào máy nghiền hạt, khơng có ngạc nhiên kỹ thuật bị tụt hậu so với trình đồng áp suất cao Mặc dù trình phá vỡ tế bào diễn theo đợt, hoạt động liên tục thực tế với thể tích chất lỏng lớn Máy nghiền hạt sử dụng việc phá vỡ tế bào nấm men, vi khuẩn, tảo sinh vật dạng sợi Hiệu suất máy nghiền hạt có liên quan đến số yếu tố chọn hạt nghiền thích hợp, vận hành tốc độ ngoại vi đĩa xác tìm tốc độ bơm nạp phù hợp 10.2.3.2 Máy đồng áp suất cao Máy đồng hóa áp suất cao hoạt động tương đối thân thiện với người dùng Sự phá vỡ tế bào đạt cách cho tế bào áp suất cao qua van lỗ nhỏ Một số loại thiết bị bao gồm máy đồng áp suất cao APV (APV Gaulin, Đức), máy siêu đồng Rannie (APV Rannie AS, Đan Mạch), máy phá vỡ tế bào siêu cao áp (Constant Systems Ltd, Vương quốc Anh) máy vi lỏng (Microfluidics, Hoa Kỳ) ) có mặt thị trường Một số máy đồng hóa áp suất cao đạt áp suất lên tới 1500 bar Thiết kế vật liệu van tương đối cải thiện hiệu phá vỡ tế bào giảm hao mòn Thiết kế vi lỏng, dựa hai tia chất lỏng q trình va chạm, hoạt động áp suất cao cần cung cấp khí nén để kích hoạt thiết bị Máy phá vỡ tế bào áp suất cực cao tương đối lĩnh vực Thiết bị thử nghiệm để ngăn chặn đạt áp suất cao lên tới 2700 bar, tùy thuộc vào nguyên mẫu Máy đồng hóa Niro VHP bao gồm máy bơm đa pít-tơng tác động đơn nằm ngang (pít-tơng đơn cho thiết bị phịng thí nghiệm đặt bàn), với van đồng lắp đặt ống góp đầu áp suất cao Bơm đồng hóa hoạt động tốc độ dịng chảy gần khơng đổi áp suất đặt van đồng hóa (áp suất ngược bơm) Van đồng bao gồm ba thành phần chính: đầu tác động, vịng tác động đầu thơng qua Áp suất đồng tăng lên áp suất áp dụng truyền động khí nén vào trục van, đóng khe hở điều chỉnh (diện tích dịng chảy) đầu tác động đầu qua Hiệu ứng đồng hóa sản phẩm vào đầu vào van áp suất, qua khe nhỏ, vận tốc tăng nhanh áp suất giảm nhanh xuống áp suất khí Sản phẩm bị biến dạng/va đập bị ép xuyên qua van, sau tác động va vào vịng va chạm tốc độ cao Sự thay đổi lượng mạnh mẽ gây nhiễu loạn xâm thực Hiệu đồng hóa kết hợp áp suất áp dụng hình dạng van Có sẵn dạng hình học van khác tùy thuộc vào ứng dụng, cho dù bạn cố gắng thu nhũ tương ổn định, giảm kích thước hạt huyền phù hay vỡ tế bào Thiết kế van tiết diện sắc nét loại Niro R kết tính tốn động lực học chất lỏng, thử nghiệm R&D kinh nghiệm thu lĩnh vực Van loại Niro Soavi R yêu cầu áp suất đáng kể so với van dạng phẳng công nghệ đồng thay để đạt mức độ giảm kích thước hạt vỡ tế bào 10.2.3.3 Siêu âm Việc xử lý tế bào vi tảo dạng huyền phù sóng siêu âm khơng nghe (thường 20–50 kHz) dẫn đến bất hoạt gián đoạn chúng Siêu âm sử dụng chuyển động sóng hình sin nhanh chóng đầu dị chất lỏng Nó đặc trưng tần số cao (18 kHz đến MHz), độ dịch chuyển nhỏ (dưới khoảng 50 mm), vận tốc vừa phải (vài m/giây), gradien vận tốc ngang dốc (lên đến 4000/giây) gia tốc cao ( đến khoảng 80 000 g) Quá trình siêu âm tạo tượng xâm thực đầu vào công suất âm đủ cao phép tạo nhiều bong bóng siêu nhỏ vị trí tạo mầm chất lỏng Các bong bóng phát triển giai đoạn sóng âm thanh, sau sụp đổ giai đoạn nén Khi sụp đổ, sóng xung kích dội qua mơi trường Tồn trình hình thành, phát triển sụp đổ bong bóng khí tác động sóng âm cường độ cao gọi tượng xâm thực Sự sụp đổ bong bóng chuyển đổi lượng âm thành lượng học dạng sóng xung kích tương đương với vài nghìn áp suất khí (300 MPa) Năng lượng truyền chuyển động đến phận tế bào, chúng phân rã hàm lượng động chúng vượt sức bền thành tế bào Thiết bị sử dụng sóng siêu âm quy mơ lớn có từ nhiều năm sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp hóa chất, chưa sử dụng rộng rãi việc phá vỡ tế bào vi tảo Như với hầu hết phương pháp phân hủy tế bào, mảnh vụn tế bào mịn tạo ra, điều cản trở q trình xử lý Nhược điểm phương pháp bao gồm (a) nhiệt tạo trình siêu âm phải tiêu tan, (b) độ ồn cao (hầu hết hệ thống yêu cầu bảo vệ thính giác vỏ âm thanh), (c) thay đổi suất (d) tạo gốc tự phản ứng với phân tử khác Tuy nhiên, siêu âm phương pháp quy mô nhỏ phổ biến, hữu ích đơn giản để phá vỡ tế bào vi sinh vật 10.2.4 Chiết xuất tinh chế Các phương pháp chiết xuất phải nhanh chóng, hiệu nhẹ nhàng để giảm thối hóa lipid vi tảo Các dung môi chiết phải rẻ tiền, dễ bay hơi, không chứa hợp chất độc hại, tạo thành hệ thống hai pha với nước chất chiết thành phần không mong muốn (Grima et al 1999) Dầu chiết xuất từ sinh khối tảo khô xử lý quy trình thiết lập tốt ngành cơng nghiệp dầu ăn Dầu làm đơng để loại bỏ phần dầu nóng chảy cao Dầu đơng hóa sau tinh chế để loại bỏ axit béo tự tạp chất khác phospholipid, protein chất nhầy Dầu tinh chế sau tẩy trắng, q trình axit citric, silica hoạt tính đất sét tẩy trắng thêm vào để hấp thụ vật liệu phân cực kim loại nặng cịn sót lại, đồng thời phá vỡ sản phẩm oxy hóa lipid Tiếp theo, dầu khử mùi Dầu khử mùi pha loãng với dầu hướng dương giàu oleic để đưa mức DHA đạt tiêu chuẩn công nghiệp 40% sau ổn định cách thêm chất chống oxy hóa, chủ yếu ascorbyl palmitate tocopherols Dầu cuối đóng gói thùng chứa làm nitơ bảo quản đông lạnh vận chuyển Các mẫu dầu thu thập bước quy trình để phân tích số peroxide, axit béo tự do, xà phịng lại, hàm lượng phốt thành phần axit béo Tất hoạt động đơn vị thực theo quy định thực hành sản xuất tốt hành theo yêu cầu Cục Quản lý Thực phẩm Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) 10.2.5 Quá trình tích hợp Sự phát triển thành cơng thương mại hóa lipid chức dựa vi tảo dựa việc đáp ứng nhu cầu vận hành đổi Thách thức thông thường làm để hoạt động hiệu đồng thời đổi hiệu cho tương lai Một ví dụ quy trình tích hợp đưa Hình 10.2, thể hoạt động phận để sản xuất dầu tảo Các biến thể khác quy trình chứng minh khả thi lựa chọn thường dựa chi phí (cả vốn hoạt động), an tồn, chất lượng tốc độ Q trình oxy hóa vấn đề dầu PUFA cần đặc biệt ý đến năm 'kẻ thù' trình oxy hóa - nhiệt độ, oxy, kim loại chuyển tiếp, ánh sáng thời gian - đưa định thông số sản xuất thiết kế thiết bị Việc thiết lập thông số sản xuất cuối để thực điều tương tự tốt nhanh với chất thải chất lượng cao cần nhiều thời gian công sức Q trình chuyển đổi thành cơng từ phát triển sang sản xuất phải dựa việc giảm thiểu rủi ro cần nỗ lực hợp tác kỹ sư/nhà khoa học phát triển nhân viên sản xuất Sản xuất nên cân nhắc quy trình phát triển quy mô thử nghiệm cuối vấn đề bị bỏ qua giai đoạn phát triển (chẳng hạn tạp chất thay đổi đặc tính thức ăn) có tác động lớn đến quy trình cần giải sản xuất Mục tiêu đạt môi trường sản xuất nơi (1) công việc xác định, lặp lặp lại rõ ràng với mục tiêu chung; (2) thơng tin ln sẵn có; (3) quy tắc thủ tục áp dụng; (4) thông số kỹ thuật vận hành hoàn tất; (5) đạt hiệu quả, hoàn hảo kỹ thuật suất đo lường được; (6) môi trường ổn định với kết xác định trước; (7) giảm thời gian chết 10.3 Thành phần sinh khối tảo Kết phân tích gần tiến hành vi tảo khô từ C cohnii Schizochytrium sp báo cáo Bảng 10.3 Chất béo thô (40–66%) protein (20–23%) thành phần chủ yếu vi tảo khô, với lượng nhỏ tro (4,0%), chất xơ thô (2,0–5,8%) độ ẩm (3,0%) Hàm lượng DHA, tính tốn sở trọng lượng khơ, tồn vi tảo tế bào từ C cohnii Schizochytrium sp bao gồm 20,4–21,0% số ô Thành phần lớp lipid vi tảo khô từ Schizochytrium sp xác định cách chiết xuất lipid thô từ tế bào phân đoạn thành thành phần lớp lipid khác TAG đại diện cho phần lipid lipid thơ, chiếm 90–92% tổng lượng lipid thô Một lượng nhỏ este sterol axit béo (0,4%), diacylglycerol (1%), sterol tự (1%) axit béo tự (0,1%) có mặt phần lipid thơ phân lập từ Schizochytrium sp β -Carotene xác định carotenoid có lipid thơ Hồ sơ axit béo lipid thô xác định Trong Schizochytrium sp., DHA (C22:6n-3) axit docosapentaenoic (DPA) (C22:5n-6) thể PUFA phần lipid thơ, chiếm 42 12,5% Ngoài ra, myristic (9%) palmitic (26%) axit béo khác Cholesterol, brassicasterol stigmasterol xác định thành phần sterol este sterol axit béo phần sterol tự lipid thô phân lập từ Schizochytrium sp Phát triển thương mại hóa lipid chức dựa vi tảo Bảng 10.3 Thành phần gần Schizochytrium sp C cohnii toàn tế bào vi tảo sản xuất thơng qua q trình lên men Thông số (%) Schizochytrium sp C cohnii Độ ẩm 3.0 2.7 Tro 4.0 3.9 Protein thô 20.0 23.1 Tổng lipid 66.0 40.0 Hàm lượng xơ thô 2.0 5.8 DHA (cơ sở trọng lượng khô) 21.0 20.4 10.4 Đặc điểm lipid tảo Dầu DHASCO, sản xuất Tập đoàn Martek Bioscatics, chiết xuất từ loài vi tảo C cohnii Sản phẩm cuối chứa khoảng 40% (w/w) DHA Nó loại dầu lỏng chảy tự do, có màu vàng cam đồng chiết xuất sắc tố caroten Sản phẩm cuối chứa khoảng 95% TAG, với số diacylglycerol vật liệu khơng xà phịng hóa, điển hình cho tất loại dầu thực vật cấp thực phẩm Vì q trình sản xuất kiểm sốt loại dầu đơn bào, thảo luận trước đó, tiềm cho nhiễm chất gây nhiễm môi trường (tức dư lượng thuốc trừ sâu, dioxin, v.v.) kim loại nặng(tức Pb, As Hg) bị loại bỏ Thành phần axit béo dầu DHASCO đưa Bảng 10.4 Thành phần axit béo dầu tảo chỗ khơng chứa PUFA khác với DHA, ngoại trừ lượng nhỏ axit linoleic (∼0,5%) từ axit oleic cao chất pha loãng dầu hướng dương (Kyle 1996) Dầu DHASCO sử dụng để bổ sung sữa công thức dành cho trẻ sơ sinh Chất khơng xà phịng hóa dầu DHASCO nói chung khoảng 1,5% tạo thành chủ yếu sterol (Kyle 2001) Sterol xác định 4-methylsterol, dinosterol Các thành phần phần sterol DHASCO (tức dinosterol) tìm thấy đường trao đổi chất bình thường trình sinh tổng hợp cholesterol xác định số nguồn thực phẩm phổ biến bao gồm cá động vật có vỏ Một nghiên cứu cung cấp số lượng lớn phần DHASCO thơ khơng thể xà phịng hóa phân lập cho chuột kết luận sterol khơng có tác dụng phụ tăng trưởng chuyển hóa lipid (Kritchevsky et al 1999) Khoảng 45% DHA tìm thấy dầu tảo nằm vị trí sn-2 phân tử TAG (Myher cộng 1996) Cấu trúc TAG dầu tảo gần giống với cấu trúc sữa mẹ, phân bố vị trí DHA TAG Martin et al (1993) báo cáo sữa mẹ, khoảng 50–60% DHA ưu tiên este hóa vị trí sn-2 TAG Do đó, q trình tiêu hóa hấp thu DHA dầu tảo cho tương tự DHA chất béo sữa mẹ Phát triển sản phẩm thực phẩm chức Bảng 10.4 Các phân tích điển hình dầu DHASCO DHASCO-S Tham số Dầu DHASCO a Dầu DHASCO-S b Axit docosahexaenoic (g/kg) 400 (tối thiểu) 350 (tối thiểu) Axit docosahexaenoic (%) 40–45 34–39 Axit arachidonic (g/kg) — — Axit arachidonic (%) — — Giá trị peroxide (meq/kg) 0–0,5 5,0 (tối đa) Axit béo tự (%) 0,03–0,1 0,5 (tối đa) Độ ẩm chất bay (%) 0,0–0,02 0,05 (tối đa) Chất khơng xà phịng hóa (%) 1–2 4,5 (tối đa) Tạp chất khơng hịa tan (%) Dưới mức phát Dưới mức phát Axit béo chuyển hóa (%) Dưới mức phát Dưới mức phát Kim loại nặng (ppm) Dưới mức phát Dưới mức phát Axit béo (%) 10:0 0-0.5 — 12:0 2-5 0-0.5 14:0 10-15 9-15 16:0 10-14 24-28 16:1 1-3 0.2-0.5 18:0 0-2 0.5-0.7 18:1n-9 10-30 0.5-3.0 18:2n-6 0.4 0.5-1.3 20:0