Seminar công nghệ lên men citric acid production

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CITRIC ACID BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN CHÌM SỬ DỤNG NẤM A.. ỨNG DỤNG: 4.1 Công nghiệp thực phẩm: ‐ Trong tất cả các đồ uống đóng chai, hoặc các thực phẩm chế biến sẵn

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ CẨM VI

Thành viên thực hiện: Trần Mỹ Hiền – 62101115

Trần Thị Tú Trang – 62100912 Nguyễn Thị Minh Thư – 62101182 Ngô Trương Ngọc Anh - 62101084

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 2 NĂM 2023

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập tại trường Tôn Đức Thắng nói chung và ngành Công nghệ sinh học nói riêng, chúng em đã được giảng dạy rất nhiều kiến thức Thực hiện bài báo cáo nhóm đã giúp chúng em có cơ hội tìm hiểu và nghiên cứu những cách ứng dụng kiến thức vào cuộc sống Chúng em cảm ơn trường Tôn Đức Thắng đã cho môn công nghệ lên men vào chương trình học để chúng em có thể biết thêm được nhiều kiến thức bổ ích

có thể ứng dụng tối đa lý thuyết vào thực tiễn Qua đó, chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến cô Nguyễn Thị Cẩm Vi vì đã tạo điều kiện để chúng em thực hiện bài báo cáo, cũng như đã hướng dẫn tận tình chúng em những kiến thức căn bản để

có thể tìm hiểu về đề tài này Qua bài báo cáo này, chúng em đã có thêm nhiều kiến thức

bổ ích, tìm ra được những định hướng quan trọng cho tương lai và đã có thêm một số kinh nghiệm bổ ích cho việc thực hiện báo cáo

Trong quá trình thực hiện, chúng em đã cùng nhau nỗ lực và hỗ trợ để có thể hoàn thành bài báo cáo một cách tốt nhất, hoàn hảo nhất Tuy nhiên, vì thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế, việc mắc phải những thiếu sót là điều không thể tránh khỏi Chúng

em mong nhận được những sự đóng góp ý kiến từ cô để có thể cải thiện hơn trong tương lai

LỜI CAM ĐOAN CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng nhóm tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS NGUYỄN THỊ CẨM VI Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, trong báo cáo còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung báo cáo của mình Trường đại học Tôn Đức Thắng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 2 năm 2023

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

I CITRIC ACID: 7

1 GIỚI THIỆU: 7

2 TÍNH CHẤT: 7

2.1 Tính chất vật lí: 7

2.2 Tính chất hóa học: 7

3 NGUỒN GỐC: 8

4 ỨNG DỤNG: 8

4.1 Công nghiệp thực phẩm: 8

4.2 Khử trùng: 8

4.3 Thuốc và thực phẩm bổ sung: 9

5 SẢN XUẤT: 9

II NẤM ASPERGILLUS NIGER: 10

1 TỔNG QUAN: 10

2 CƠ CHẾ SINH TỔNG HỢP CITRIC ACID TỪ A.NIGER: 10

3 MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY: 11

III QUY TRÌNH SẢN XUẤT CITRIC ACID: 13

1 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN: 13

1.1 LÊN MEN BỀ MẶT: 14

1.2 LÊN MEN CHÌM: 15

1.3 LÊN MEN TRẠNG THÁI RẮN: 16

2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CITRIC ACID BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN CHÌM SỬ DỤNG NẤM A NIGER: 17

2.1 NGUYÊN LIỆU: 17

2.2 QUÁ TRÌNH LÊN MEN: 17

3 YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN: 20

2 CÁC CHỈ TIÊU SẢN PHẨM YÊU CẦU ĐỐI VỚI CITRIC ACID: 22

3 THÀNH TỰU: 22

TƯ LIỆU THAM KHẢO: 24

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Nồng độ các chất trong nuôi cấy Aspergillus Niger……… ………12

Bảng 2: Nguyên liệu thường dùng cho quá trình lên men citric acid………13

Bảng 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men……… 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Citric Acid………7

Hình 2: Aspergillus Niger……… 10

Hình 3: Cơ chế sinh tổng hợp citric acid……….10

Hình 4: Khuẩn lạc Aspergillus niger trên thạch men Czapek……….12

Hình 5: Khuẩn lạc Aspergillus niger trên malt extract agar……….12

Hình 6: Hình vẽ minh họa buồng lên men……… 14

Hình 7: Buồng lên men……… 14

Hình 8: Hình vẽ minh họa thiết bị lên men chìm………15

Hình 9: Thiết bị lên men chìm………15

Hình 10: Hình mô tả thiết bị lên men trạng thái rắn………16

Hình 11: Sơ đồ quy trình sản xuất Citric acid……… 17

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A niger: Aspergillus Niger

I CITRIC ACID:

1 GIỚI THIỆU:

‐ Tên theo IUPAC: 2 – hydroxypropane - 1, 2, 3 - tricarboxylic acid

‐ Tên thông thường: acid chanh

- Citric acid là một acid hữu cơ yếu màu trắng không màu, không mùi, tồn tại ở dạng khan (C6H8O7.H2O) và dễ tan trong nước Có nhiệt độ nóng chảy là 153°C

và nó bị phân hủy ở nhiệt độ cao hơn Nó là một thành phần tự nhiên hỗ trợ giải độc, duy trì mức năng lượng, hỗ trợ tiêu hóa khỏe mạnh và chức năng thận

2 TÍNH CHẤT:

2.1 Tính chất vật lí:

‐ Mang vị chua đặc trưng

‐ Khối lượng phân tử: 192.13 g/mol

‐ Nhiệt độ nóng chảy: 1530C

‐ Nhiệt độ sôi: 1750C (phân hủy)

‐ Độ hòa tan trong nước: 133 g/100 ml (20°C)

‐ Độ acid (pKa): pKa1 = 3.15, pKa2 = 4.77, pKa3 = 6.40

2.2 Tính chất hóa học:

- Tính acid của citric acid: Do ảnh hưởng của nhóm carboxyl -COOH-, mỗi nhóm carboxyl có thể cho đi một proton để tạo thành ion citrat

Hình 1: Citric Acid

- Tính đệm của các citrat: Các muối citrat dùng làm dung dịch đệm rất tốt để hạn chế sự thay đổi pH của các dung dịch acid

- Các ion citrat còn kết hợp với các ion kim loại Việc kết hợp như vậy sẽ tạo thành muối, phổ biến nhất là muối canxi citrat

- Các ion citrat có thể kết hợp với các ion kim loại tạo thành các phức dùng làm chất bảo quản và làm mềm nước

3 NGUỒN GỐC:

‐ Citric acid có thể được lấy từ các nguồn tự nhiên (ví dụ: chanh, chanh tây, cam, bưởi, ) hoặc các nguồn tổng hợp (ví dụ: phản ứng hóa học và lên men vi sinh vật)

‐ Citric acid tồn tại trong một loạt các loại rau quả, chủ yếu là các loại quả của chi Citrus Các loài chanh có hàm lượng cao citric acid Hàm lượng của citric acid nằm trong khoảng từ 0,005 mol/L đối với các loài cam và bưởi chùm tới 0,030 mol/L trong các loài chanh

4 ỨNG DỤNG:

4.1 Công nghiệp thực phẩm:

‐ Trong tất cả các đồ uống đóng chai, hoặc các thực phẩm chế biến sẵn đóng bao bì đều chứa chất bảo quản được tạo ra từ citric acid hoặc chứa trong đó những phụ gia thực phẩm để tăng cường độ acid, tăng hương vị,…

‐ Citric acid còn là chất chống oxi hóa, kiểm soát độ pH trong thức ăn

‐ Đặc biệt, citric acid được thêm vào các loại trái cây và rau quả đóng hộp để bảo

vệ chống ngộ độc, một căn bệnh hiếm gặp nhưng nghiêm trọng do vi khuẩn gây

‐ Đây được xem là một sự thay thế hoàn hảo cho axít nitric trong công nghệ sinh học và công nghiệp dược phẩm để làm sạch ống dẫn

‐ Citric acid là thành phần hoạt hóa trong một số dung dịch tẩy rửa vệ sinh nhà bếp

và phòng tắm

‐ Citric acid được bán thương mại như một chất khử trùng và làm sạch nói chung

để loại bỏ cặn xà phòng, vết nước cứng, vôi và rỉ sét

4.3 Thuốc và thực phẩm bổ sung:

Bạn sẽ tìm thấy citric acid trong các thành phần của một số loại thuốc đặc biệt là viên uống, thuốc nhai hoặc sirô với chức năng là bảo quản các thành phần hoạt động và được sử dụng để tăng cường hoặc che giấu mùi vị của các loại thuốc

5 SẢN XUẤT:

Citric acid được sản xuất bởi các loại vi sinh vật khác nhau như:

‐ Vi khuẩn: Arthrobacter paraffin, Bacillus licheniformis và Corynebacterium

‐ Nấm: Aspergillus niger, A awamori, A clavatus, A nidulans, A fonsecaeus, A

luchensis, A phoenicus, A.goii, A saitoi , A flavus, Absidia sp, Acremonium sp, Eupenicillium sp, Mucor piriformis,

‐ Nấm men: Candida, Hansenula, Pichia, Debaromyces, Torula, Torulopsis,

Kloekera, Saccharomyces, Zygosaccharomyces và Yarrowia

Mặc dù Citric acid được sản xuất bởi nhiều loại vi sinh vật khác nhau nhưng nấm Aspergillus niger là chủ yếu để sản xuất citric acid Kỹ thuật mà ngày nay người ta sản xuất citric acid bằng cách nuôi nấm trên mật rỉ, sau đó lọc nấm mốc ra khỏi dung dịch

và citric acid được tách bằng cách cho kết tủa với nước vôi tạo thành canxi citrat, sau đó kết tủa được xử lý bằng acid sulfuric

II NẤM ASPERGILLUS NIGER:

2 CƠ CHẾ SINH TỔNG HỢP CITRIC ACID TỪ A.NIGER:

- Đến với quá trình sinh tổng hợp axit xitric như các bạn đã biết quy trình thủ công

là theo chu trình Krebs Chu trình nhờ quá trình đường phân tạo ra pyruvate Tất

cả các sinh vật hiếu khí sẽ thực hiện quá trình đường phân này vì vậy A niger là một sinh vật hiếu khí sẽ tiến hành tổng hợp pyruvic acid và sau đó là citric aicd nhờ vào chu trình Krebs Nhưng với điều kiện là thiếu hụt bất kỳ các yếu tố nào như mangan, nitơ hoặc phospho vì đối với enzym tổng hợp các enzym khác khi thiếu các đồng yếu tố này sẽ chuyển sang tổng hợp oxalic acid

- Quá trình tổng hợp do A.niger thực hiện, nó tạo ra citric acid bằng cách sử dụng chất nền là glucose Trong quá trình này glucose được chuyển hoá thành pyruvic acid sau đó pyruvic acid tiếp tục chuyển hoá thành citric acid Phương trình tổng quát của quá trình này như sau:

2C6H12O6 + 3O2 → 6C6H8O7 + 4H2O Enzyme chịu trách nhiệm chuyển đổi sucrose này thành Oxaloacetic acid bằng quá trình đường phân và Krebs là citrate synthase

- Cơ chế của sự chuyển hoá này có thể được biểu diễn như sau:

CH3COCOOH + CO2 → HOOCCH2COCOOH

(Acid pyruvic) (Acid oxaloacetic)

3 MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY:

- Czapek Yeast Agar – sau 5 ngày ủ ở 25ºC và 37ºC, chúng tạo ra các khuẩn lạc màu đen với các khuẩn lạc conidia có thành mịn như len

- Thành phần:

• 1000g nước cất

• 30g đường mía

• 0,5g magie sulfat

• 0,01g sắt sunfat

• 15g agar

- Malt Extract Agar - ủ trong 7 ngày ở nhiệt độ 25 – 370C tạo ra từ các khuẩn lạc

có vách nhẵn của bào tử khuẩn có màu hơi nâu

- Thành phần: Dịch malt và agar

Bảng 1: Nồng độ các chất trong nuôi cấy Aspergillus Niger:

Hình 4: Khuẩn lạc Aspergillus niger

trên thạch men Czapek

Hình 5: Khuẩn lạc Aspergillus niger trên malt extract agar

Cu2+ 1 - 10200 mg/m3 200 - 1500 mg/m3

III QUY TRÌNH SẢN XUẤT CITRIC ACID:

Lên men là phương pháp kinh tế nhất được sử dung rộng rãi để tổng hợp citric acid

1 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN:

Việc sản xuất citric acid công nghiệp có thể được thực hiện theo 3 cách khác nhau:

- Lên men bề mặt

- Lên men chìm

- Lên men trạng thái rắn

Bảng 2: Nguyên liệu thường dùng cho quá trình lên men citric acid:

Bề mặt

Chất thải nhà máy bia, đường carob, chất thải bông, củ Asphodelus aestivus , váng sữa củ cải (được làm giàu với mật đường)

Chìm

Bã mía thủy phân, mật củ cải đường, mật mía đen, chất thải nhà máy bia, mật mía, chiết xuất vỏ carob, dầu dừa, tinh bột ngô, xi-rô chà là, glycerol, tinh bột thủy phân, n-paraffin, dầu

cọ, dầu ô liu, dầu đậu nành, dầu hạt cải , rượu ngũ cốc đã qua

sử dụng, hemicellulose gỗ, váng sữa, dịch thủy phân xylan, tinh bột đậu khoai mỡ

Trạng thái rắn

Bã táo, vỏ carob, bã cà rốt, bã sắn, cellulose thủy phân và mía,

vỏ cà phê, lõi ngô, cám gạo đã khử dầu, bã nho, vỏ quả kiwi, kumara, mật đường, chất thải chế biến hến, okara, chất thải cam, chất thải dứa, cám gạo, sucrose, bùn ép mía, cám lúa mì

1.1 LÊN MEN BỀ MẶT:

- Lên men bề mặt, còn được gọi là nuôi cấy bề mặt lỏng, là kỹ thuật sản xuất Citric acid ban đầu trong công nghiệp Mặc dù trong những năm gần đây, quá trình lên men chìm đã trở nên phổ biến, nhưng vẫn có những ngành công nghiệp quy mô vừa và nhỏ sử dụng phương pháp này

- Quá trình lên men bề mặt mang lại những lợi thế như chi phí lắp đặt và năng lượng thấp hơn (vì nó không cần năng lượng để sục khí và khuấy trộn), và cũng không

có bọt Tuy nhiên, nó đòi hỏi nhiều lao động và nhạy cảm với những thay đổi trong thành phần môi trường Phương pháp này bao gồm hai giai đoạn:

• Giai đoạn đầu tiên là sự phát triển của nấm dưới dạng thảm sợi nấm trên bề mặt môi trường

• Giai đoạn thứ hai sử dụng carbohydrate bằng cách chuyển đổi chúng thành Citric acid

- Quá trình này thường được thực hiện trong các buồng lên men, sử dụng các buồng lên men Vì buồng được thông gió hiệu quả nên không khí vô trùng được truyền liên tục qua bề mặt môi trường qua bộ lọc vi khuẩn Không khí cung cấp nhu cầu oxy cần thiết cho vi sinh vật do tính hiếu khí cao của quá trình; nó cũng kiểm soát

độ ẩm và nhiệt độ (thông qua làm mát bay hơi) Không khí cũng có tác dụng loại

bỏ carbon dioxide, đây là chất ức chế sản xuất Citric acid ở nồng độ cao hơn 10%

- Nhiễm bẩn cũng là một vấn đề quan trọng trong nuôi cấy bề mặt Nấm men, penicillin, vi khuẩn lactic và các loài Aspergillus là những nguồn ô nhiễm phổ

Hình 6: Hình vẽ minh họa

biến nhất Sau khi hoàn thành giai đoạn thứ hai, Citric acid được thu hồi bằng cách rửa thảm sợi nấm và Citric acid đã ngâm tẩm được chiết xuất

- Ngoài ra, nó ít nhạy cảm hơn với sự thay đổi thành phần môi trường, cung cấp nhiều loại chất nền hơn và kiểm soát chất nền tốt hơn; lợi thế này làm cho rỉ đường

có thể sử dụng làm môi trường để sản xuất Citric acid

- Quá trình lên men chìm chủ yếu được vận hành như một hệ thống mẻ Lên men chìm cũng bao gồm kỹ thuật bình lắc, thường được sử dụng để tối ưu hóa các điều kiện lên men Về cơ bản, đây là một bình Erlenmeyer được đặt trên máy lắc và khuấy liên tục trong suốt quá trình lên men

- Vật liệu phải được sử dụng thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ loại 316L cho thiết bị lên men chìm → có khả năng chịu được điều kiện pH thấp (có tính acid) Cả thép không gỉ và thép thông thường sẽ xuống cấp trong điều kiện acid

và ức chế sự hình thành Citric acid

1.3 LÊN MEN TRẠNG THÁI RẮN:

- Quá trình ở trạng thái rắn, hay quá trình lên men 'Koji', bắt nguồn từ Nhật Bản, nơi có rất nhiều phế thải hay chất thải nông nghiệp Quá trình này liên quan đến việc nuôi cấy vi sinh vật trong điều kiện không có chất lỏng tự do trên vật liệu rắn

- Một hạn chế của phương pháp này là không tận dụng được hết nguồn dinh dưỡng sẵn có do khả năng truyền nhiệt và oxy trong giá thể kém Ngoài ra còn có một nhóm vi sinh vật có nhu cầu nitơ và phốt pho lớn không thể sử dụng được

- Chất thải nông - công nghiệp đã được tận dụng bao gồm vỏ chuối, chất thải bông,

vỏ quả kiwi, chà là, chất thải vỏ cam, bã dứa, cám lúa mì và bột đậu nành, …

- Thiết bị nuôi cấy VSV trên môi trường dinh dưỡng kiểu băng đai

- Khi kết thúc quá trình nuôi cấy, rửa tổ hợp nuối cấy bằng nước nóng và tiệt trùng không khí nóng ở nhiệt độ 120 – 13000C trong 2-3h

Hình 10: Hình mô tả thiết bị lên men trạng thái rắn

2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CITRIC ACID BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN CHÌM SỬ DỤNG NẤM A NIGER:

2.1 NGUYÊN LIỆU:

Các mẻ cấy nấm Aspergillus niger được nuôi trong môi trường chứa saccarose hay glucose, nước ngâm ngô cô đặc, nước rỉ đường, tinh bột ngô thủy phân hay các dung dịch đường rẻ tiền khác và vôi tôi (canxi hydroxide)

2.2 QUÁ TRÌNH LÊN MEN:

Kết thúc quá trình lên men bằng cách kiểm tra mẫu Nếu hai mẫu kiểm tra cách nhau

4 - 6 giờ mà có độ acid như nhau thì coi như kết thúc quá trình lên men Thời gian lên men có thể kéo dài 5 - 10 ngày, phụ thuộc vào hoạt lực của nấm mốc Khi kết thúc quá trình lên men thì đun nóng dịch lên men 60 - 65oC và chuyển vào thùng trung gian để tách nấm mốc Nấm mốc được tách trên máy lọc chân không

2.2.3 Tạo canxi citrate:

‐ Dung dịch đã lên men là hỗn hợp gồm: acid gluconic, acid oxalic, đường không lên men và các hợp chất khoáng

‐ Tách acid citric bằng cách cho tác dung với dung dịch Ca(OH)2 để tạo muối ít tan canxi citrate Dung dịch đã lên men cho vào thiết bị trung hòa và đem đun sôi Sau

đó mở cách khuấy và cho sữa vôi vào để trung hòa Quá trình trung hòa được kết thúc khi pH = 6.8 – 7.5

‐ Khi trung hòa tạo thành:

C6H8O7 + 3Ca(OH)2 → Ca3(C6H5O7)2↓ + 6H2O (Acid citric) (Canxi citrate)

2C6H12O7 + Ca(OH)2 → Ca(C6H11O7)2 + 2H2O (Acid gluconic) (Canxi gluconat)

C2H2O4 + Ca(OH)2 → CaC2O4↓ + 2H2O (Acid oxalic) (Canxi oxalate)

‐ Dùng thiết bị lọc chân không tách các chất kết tủa canxi citrate và canxi oxalate rồi