THU HỒI SẢN PHẨM TRONG CÁC QUÁ TRÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC - CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM pdf

9 Thu hồi 1 sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào bản chất của sản phẩm quy 9 Thu hồi 1 sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào bản chất của sản phẩm, quy mô thị trường, giá trị bán trên thị trường của

Ồ Ả Ẩ THU H

THU HỒ ỒI S I SẢ ẢN PH N PHẨ ẨM TRONG M TRONG CÁC QUÁ TRÌNH

TS VŨ H

TS VŨ HỒ ỒNG TH NG THẮ ẮNG NG

B ộộ môn CN Lên men Tr ườ ng ĐHBK Hà N ộộ ii

B ộộ môn CN Lên men, Tr ườ ng ĐHBK Hà N ộộ ii

Tài li Tài liệệu tham kh u tham khảảo o

- Product recovery in bioprocess technology Butterworth – Heinemann Ltd., Oxford, UK, 1992.

- Dorfner, K., (Ed.) Ion exchangers, Walter de Gruyter, New York, USA, 1991.

- Winkler, M.A (Ed) Problems in downstream processing In “Chemical

Engineering problem in Biotechnology”, Elsevier Science Publishers, 1990.

- Baker, R W et al., (Eds.) Membrane separation systems: recent developments and future directions, Noyes Data Corporation, New Jersey, USA

- Dale, B E ‘Greening’ the chemical industry: research and development

priorities for biobased industrial products Journal of Chemical Technology and Biotechnology 78, 1093 – 1103, 2003.

- Keller, K., Friedmann, T & Boxman, A The bioseparation needs for

tomorrow Trends in Biotechnology 19, 438 – 441, 2001

TÓM T TÓM TẮ ẮT N T NỘ ỘI DUNG Ộ

quá trình ứng dụng CNSH

quá trình thu hồi sản phẩm

Một số điểm chủ yếu trong công nghệ thu hồi các

ả hẩ t CNSH sản phẩm trong CNSH

9 Sả hẩ ủ á á t ì h ả ất ử d CNSH th ờ tồ t i ở

9 Sản phẩm của các quá trình sản xuất sử dụng CNSH thường tồn tại ở

nồng độ loãng trong 1 hỗn hợp phức tạp Thu hồi sản phẩm(downstream processing) từ hỗn hợp trên là quá trình nâng cao nồngp g p q g g

độ và tinh chế 1 chất mong muốn

9 Thu hồi 1 sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào bản chất của sản phẩm quy

9 Thu hồi 1 sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào bản chất của sản phẩm, quy

mô thị trường, giá trị bán trên thị trường của sản phẩm và các tiêuchuẩn kỹ thuật của sản phẩm

9 Trong thực tế, vấn đề kinh tế sẽ quyết định liệu 1 quá trình sản

xuất/thu hồi sẽ được thực hiện ở quy mô công nghiệp hay không

xuất/thu hồi sẽ được thực hiện ở quy mô công nghiệp hay không.Trong sản xuất công nghiệp, khi quy mô sản xuất càng tăng thì tínhkinh tế của phương pháp thu hồi sản phẩm trở nên đặc biệt quan

trọng Trong thực tế giá thành thu hồi sản phẩm thường chiếm trên50% giá thành sản phẩm cuối cùng

1 Vai trò của thu hồi sản phẩm trong các

1 Vai trò của thu hồi sản phẩm trong các

thống và hiện đại

SỰ PHÂN MẢNG THỊ TRƯỜNG CÁC SẢN PHẨM CNSH

- Trong CNSH, khái niệm thu hồi và tinh chế sản phẩm là khác nhau tùy thuộc vào các thị trường khác nhau.

- Tính chất của sản phẩm, giá bán và nhu cầu thị p , g ị trường của đa số sản phẩm hầu như là xác định nhưng giá trị gia tăng của sản phẩm hay lợi nhuận có thể khác nhau rất nhiều.

- Sự phân mảng thị trường dựa trên độ lớn của thị Sự phân mảng thị trường dựa trên độ lớn của thị trường và giá bán của sản phẩm

SỰ PHÂN MẢNG THỊ TRƯỜNG CÁC SẢN PHẨM CNSH

- Khu vực 1: Các sản phẩm

protein sử dụng để bào chế

dược phẩm, ví dụ như factor

VIII hay urokinase

được sản xuất với khối lượng

lớn (bulk products) bao gồm

các loại kháng sinh, protease,

amylase, axit hữu cơ (lactic,

acetic citric vv) dung môi

hữu cơ (ethanol, butanol, vv)

Sự ự liên quan gi liên quan giữ ữa các tính ch a các tính chấất c t củủa các quá trình a các quá trình

CNSH v CNSH vớới th i thịị tr trườ ường các s ng các sảản ph n phẩẩm CNSH m CNSH CNSH v

CNSH vớới th i thịị tr trườ ường các s ng các sảản ph n phẩẩm CNSH m CNSH

ch

chủủng gi ng giốống t ng tựự nhiên

DNA recombinant

DNA

nhiên Đ

Độộ tinh khi tinh khiếếtt rrấất cao t cao cao/r cao/rấất cao t cao ttươ ương đ ng đốối th i thấấp p

Hi

Hiệệu su u suấất thu h t thu hồồii ttầầm quan tr m quan trọọng ng

th thứứ yyếếu u

khá quan tr

khá quan trọọng ng đ đặặc bi c biệệt quan t quan

tr trọọng ng T

50

50 90% tùy thu 90% tùy thuộộc c nguyên li

nguyên liệệu u Công ngh

Công nghệệ ssắắc ký ái l c ký ái lựực; đi c; điệện n ssắắc ký h c ký hấấp ph p phụụ llọọc chi c chiếết h t hấấp ph p phụụ Công ngh

Công nghệệ ssắắc ký ái l c ký ái lựực; đi c; điệện n

di đi

di điềều ch u chếế

ssắắc ký h c ký hấấp ph p phụụ, , màng l

màng lọọcc

llọọc, chi c, chiếết, h t, hấấp ph p phụụ, , kkếết t t tủủa, bay h a, bay hơơi, i, màng

)

Đặặc tính c c tính củủa các s a các sảản ph n phẩẩm có ngu m có nguồồn g n gốốc sinh h c sinh họọc: c:

Đ Độộ hò hò Đ

Độộ hòa tan hòa tan

„ Tính tan của sản phẩm có ảnh hưởng quan trọng đến các quá trìnhthu hồi sản phẩm Nó quyết định phương pháp thu hồi nào có thể sẽđược áp dụng Dung dịch có nồng độ chất hòa tan cao thì sẽ có độnhớt và áp suất thẩm thấu lớn

và do đó năng lượng tiêu tốn cho quá trình bơm sẽ tăng theo

Đặặc tính c c tính củủa các s a các sảản ph n phẩẩm có ngu m có nguồồn g n gốốc sinh h c sinh họọc: c:

Đi Điệện tích phân t n tích phân tử ử

„ Nhiều chất cần phân tách tồn tại dưới dạng phân tử tích điện do đó cóthể dễ dàng tách ra khỏi các chất không mang điện

„ Các kỹ thuật thông dụng để tách các chất mang điện: trao đổi ion,thẩm tách điện, lọc phân tử hay sắc ký.ệ , ọ p y ý

„ Ngoài việc là đối tượng cần thu hồi hay tinh chế thì trong nhiều

t ờ h á hất ó điệ tí h là hữ hất khô

trường hợp các chất có mang điện tích là những chất không mongmuốn tồn tại trong hỗn hợp cần phân tách và do đó có ảnh hưởng đếnquá trình thu hồi các chất khác Ví dụ các chất này có thể bị hấp thụ

lên bề mặt màng lọc gây tắc màng hay tích tụ thành môi trường thuậnlợi cho vi sinh vật phát triển gây ra các ảnh hưởng tiêu cực đến quátrình thu hồi sản phẩm

trình thu hồi sản phẩm

„ Tính axit – bazơ đóng vai trò đặc biệt quan trọng khi các chất cầnphân tách là protein hay axit amin Tùy theo pH môi trường mà cácchất này thể hiện tính axit hay bazơ do đó có thể có trạng thái tíchđiện khác nhau phụ thuộc pH môi trường.

Đặặc tính c c tính củủa các s a các sảản ph n phẩẩm có ngu m có nguồồn g n gốốc sinh h c sinh họọc: c:

C Cấấu trúc phân t u trúc phân tử ử

„ Kích thước phân tử hay kích thước hình học của chất cần thu hồi có thểdao động trong 1 khoảng rất rộng, từ nm đến mm, do đó cũng sẽ có rấtnhiều phương pháp phân tách khác nhau dựa trên sự phân loại kíchthước phân tử hay kích thước hình học của chất

„ Nhìn chung, PTL của các chất cần phân tách nằm trong khoảng 50 đến

2.000.000 g.mol -1 Các chất có PTL lớn có thể dễ dàng được phân tách

phức tạp

Đặặc tính c c tính củủa các quá trình công ngh a các quá trình công nghệệ

„ Rất khác biệt về quy mô sản xuất (f = 1010)

„ Đa số là quá trình gián đoạn

„ Quy mô nhỏ hơn công nghiệp hóa chất

„ Quy mô nhỏ hơn công nghiệp hóa chất

„ Các thiết bị thường là đa chức năng

„ Các thiết bị có thể chịu được các điều kiện thanh trùng

Quá trình thu h ồ i ph ả i linh ho ạ t và d ễ dàng m ở r ộ ng quy mô

Cá á t ì h th h

Cá á t ì h th hồồi t i t CNSH CNSH ổổ đi điểể Các quá trình thu h

Các quá trình thu hồồi trong CNSH c i trong CNSH cổổ đi điểển n

„ Trong các quá trình CNSH cổ điển, sản phẩm thu được cũng có thể được tạo ra bằng các tế bào có sẵn trong tự

tách thấp nhằm đạt được độ tinh khiết cần thiết.

„ Các thiết bị thu hồi có thể được mô hình hóa và việc nâng

„ Các thiết bị thu hồi có thể được mô hình hóa và việc nâng quy mô thu hồi có thể dễ dàng thực hiện bằng các thí nghiệm ở quy mô PTN và xưởng thực nghiệm g ệ q y g ự g ệ

Các đ

Các đặặc tr c trư ưng c ng củủa các quá trình CNSH hi a các quá trình CNSH hiệện đ n đạạii

„ Quy mô sản xuất nhỏ (0.1 – 10 m Q y ( 3) )

„ Sử dụng các loại tế bào khác nhau để sản xuất (vi sinh vật,

tế bào thực vật và động vật) Các sản phẩm được tế bào tạo

ra thường không được tạo ra một cách tự nhiên mà phải thông qua kỹ thuật tái tổ hợp (recombinant DNA)

thông qua kỹ thuật tái tổ hợp (recombinant DNA).

„ Sử dụng các loại thiết bị lên men „không truyền thống“ ụ g ạ ị „ g y g như dạng airlift, màng (membrane reactor), lên men liên tục kết hợp thu hồi sản phẩm tại chỗ, etc.

„ Quá trình thu hồi được giới hạn trong 1 số ít các phương pháp có độ phân tách cao dẫn đến mức độ tinh khiết của sản phẩm rất cao.

Sơơ đ đồồ dây chuy dây chuyềền tinh ch n tinh chếế enzyme n enzyme nộội bào s i bào sử ử d dụụng trong CNTP ng trong CNTP

hhồồii ttổổng ng ccộộng ng ccủủaa ccảả quá quá trình trình ch chỉỉ là là

Mu Muốốnn hi hiệệuu su suấấtt thu thu hhồồii ttổổng ng ccộộng ng ccủủaa ccảả quá quá trình trình là

„ Làm trong dịch (Phân tách lỏng – rắn): lọc, lắng, ly tâm;

„ Cô đặc: phân tách bằng màng, kết tủa, bay hơi, chiết, bốc

hơi nhiệt độ thấp;

„ Tinh chế: kết tủa, chiết, hấp phụ, sắc ký;

„ Phối chế/Hoàn thiện: làm khô, ép đùn, tạo hạt, tạo viên.

Mechanical (force) Physical (behaviour) Thermal Chemical

Distillation Rectification Evaporation

Phạm vi phân tách của các loại thiết bị phân tách dựa theo

các yếu tố phân tách sơ bộ

Tóm t

Tóm tắắt ch t chươ ương 1: Nh ng 1: Nhữ g ững đi ng điểểm c g m cầần l n lư ưu ý ýý

„ Phân biệt được 3 mảng thị trường cơ bản của các sản ệ ợ 3 g ị g

phẩm CNSH;

„ Xác định được hiệu suất thu hồi của toàn bộ quá

trình dựa trên hiệu suất thu hồi riêng của từng giai đ

đoạn;

S bộ đị h h ớ h đ á l i thiết bị hù

„ Sơ bộ định hướng chọn được các loại thiết bị phù

hợp dựa theo kích thước phân tử của chất cần thu hồi

hồi.

2 Tính chất của dịch lên men

ƒ Hình thái và cấu trúc tế bào

ƒ Nồng độ các chất trong dịch lên men

ƒ Các ảnh hưởng lưu biến học

2.1 Hình thái và c Hình thái và cấấu trúc t u trúc tếế bào ếế bào

Hình thái 1 số tế bào thường gặp trong dịch lên men

- Tế bào nấm men và vi khuẩn thường ở dạng huyền phù trong dịch lên men g ị

- Nấm mốc thường tạo thành 1 mạng sợi nấm (hyphi) và do

đó là độ hớ ủ dị h lê

đó làm độ nhớt của dịch lên men tăng rất nhiều.

Trong 1 số điều kiện các tế

- Trong 1 số điều kiện, các tế bào nấm mốc tạo thành 1 tập hợp các tế bào (dạng viên) với kích thước rất lớn (100 –

với kích thước rất lớn (100

4000 µm) và do đó các ‚viên‘ này rất dễ loại bỏ khỏi dịch lên men.

- Vi khuẩn thường tạo thành các lớp bùn sệt tùy thuộc chủng i kh ẩn à điề kiện lên men và do đó rất khó loại khỏi dịch lên men.

Cấấu trúc thành t u trúc thành tếế bào bào

„ Vi khuẩn Gram+ có cấu trúc thành tế bào đơn giản còn các vi

khuẩn Gram- có cấu trúc thành tế bào phức tạp hơn nhiều Tế bào vi khuẩn Gram+ nhìn chung khó bị phá vỡ bằng phương pháp cơ học hơn so với vi khuẩn Gram- vì cấu trúc lớp murein dày hơn.

„ Cấu trúc thành tế bào nấm men phức tạp hơn rất nhiều Màng

tế bào chất (cytoplas) bao gồm 2 lớp kép chứa phospholipid và phía bên ngoài là cấu trúc lớp gồm glucan và mannan.

„ Cấu trúc thành tế bào nấm mốc thì rất đa dạng mặc dù chỉ được

„ Cấu trúc thành tế bào nấm mốc thì rất đa dạng mặc dù chỉ được

cấu tạo chủ yếu từ cellulose và kitin Thành tế bào thực vật cấu tạo từ cellulose và polysaccharide trong khi tế bào động vật không có thành tế bào và dễ dàng bị làm cứng l i bằng sterol không có thành tế bào và dễ dàng bị làm cứng lại bằng sterol.

„ Tùy thuộc loài cũng như sự hình thành thể capsule hoặc lớp

nhầy bên ngoài tế bào mà sự ảnh hưởng đến quá trình phá hủy bằng tế bào bằng phương pháp cơ học là khác nhau.

N Nồồng đ ng độộ ssảản ph g g ộộ n phẩẩm p m

L

L ạại t i tếế bà bà SSảản ph n phẩẩm m N Nồồn đ n độộ ttếế bà bà N Nồồn đ n độộ SP SP Lo

Loạại t i tếế bào bào SSảản ph n phẩẩm m N Nồồng đ ng độộ ttếế bào bào

(% dry weight)

N

Nồồng đ ng độộ SP SP (w/w%)

ki h tế à kỹ th ật

kinh tế và kỹ thuật.

„ Nồng độ và thành phần các chất khác cũng ảnh hưởng nhiều đến g ộ p g g

sự lựa chọn phương pháp thu hồi Trong nhiều trường hợp có thể

sử dụng nhiều phương pháp thu hồi khác nhau nhưng chỉ có 1 phương pháp là có nhiều tính ưu việt

phương pháp là có nhiều tính ưu việt.

„ VD: ảnh hưởng của nồng độ muối trong quá trình loại muối khỏi g g g q dung dịch:

Costs of desalination of saline water as a function of the feed solution concentration for different techniques (Strathmann, 1991)

Các ảnh hưởng lưu biến học g ọ

„ Ảnh hưởng lưu biến học của dịch lên men ít có tác động lên quá trình thu hồi ngoại trừ việc gây ảnh hưởng đến quá trình lọc và ly tâm

quá trình lọc và ly tâm.

„ Ngoài ra nồng độ dung dịch sẽ ảnh hưởng đặc biệt đến độ

„ Ngoài ra, nồng độ dung dịch sẽ ảnh hưởng đặc biệt đến độ nhớt và áp suất thẩm thấu của dung dịch, do đó chi phí về nhiệt năng có thể sẽ tăng.

3 Giải phóng các sản phẩm nội bào

„ Giới thiệu ệ

„ Phá hủy tế bào bằng phương pháp cơ học y b b g p g p p ọ

Giải phóng các sản phẩm nội bào p g p ộ

áá hhẩẩ i bà ềề hhốố áá hhẩẩ i bà hi đđ iiCác s

Các sảản phn phẩẩm nm nộội bào truyi bào truyềền thn thốốngng Các sCác sảản phn phẩẩm nm nộội bào hii bào hiệện đn đạạiiGlucose isomerase ChymosinChymosin

ßß galactosidasegalactosidase Insulin

h h t

Ethanol dehydrogenase Interferons

DNase, RNase Hormone tăng trHormone tăng trưởưởng ngng ngườườii

Alkaloids

Các ph

Các phươ ương pháp phá h ng pháp phá hủủy t y tếế bào bào ởở

quy mô l quy mô lớớnn

Phá hủy tế bào Phá hủy tế bào

Phương pháp

cơ học

Phương pháp phi cơ học

Đồng hóa

(homogeniser)

Nghiền bi (bead mill)

Sốc nhiệt (heat shock)

Hóa chất (chất tẩy rửa, dung môi) Enzyme ( g ) ( ) ( ) ( y , g )

Phươ ương pháp phá h ng pháp phá hủủy t y tếế bào b bào bằằng máy nghi ng máy nghiềền bi n bi

Phươ ương pháp phá h ng pháp phá hủủy t y tếế bào b bào bằằng máy nghi ng máy nghiềền bi n bi

- ZrO2 alloy inside cylinder and grinding disc is ZrO2 alloy inside cylinder and grinding disc is suitable for products that cannot contain metal particles.

Motor power (kW): 5 5 37

- Motor power (kW): 5.5 – 37

- Grinding chamber (L): 5 – 50

M i h f d ( ) 8

- Main shaft speed (rpm): 750 – 1800

- Cooling water consumption (m 3 /h): 1.0 – 2.4

- Air supply pressure(Mpa): 0.4 - 0.6

- Fineness (µm): 2 – 20

- Grinding medium beads: Glass beads, ZrO2

- Dia (mm): 0.8 - 1.6

Các y

Các yếếu t u tốố ảảnh h nh hưở ưởng đ ng đếến phá h n phá hủủy t y tếế bào bào

b bằằng máy nghi ng máy nghiềền bi n bi b

bằằng máy nghi ng máy nghiềền bi n bi

ƒƒ LoLoạại vi sinh vi vi sinh vậật st sửử dung:dung:

Đ

Độộ dà à hà h hdà à hà h hầầ hà h hà h ếế bàbà

ĐĐộộ dày và thành phdày và thành phầần thành tn thành tếế bào;bào;

Kích thKích thướước tc tếế bàobào

ƒƒ VVịị trí strí sảản phn phẩẩm trong tm trong tếế bàobào

ởở cytoplasmcytoplasm

ởở ccơơ quan tởở ccơơ quan tquan tếế bào (cell organelles)quan tếế bào (cell organelles)bào (cell organelles)bào (cell organelles)

ởở periplasmicperiplasmic

ƒƒ LL i á hii á hiềề

ƒƒ LoLoạại máy nghii máy nghiềền:n:

đđườường kính bi nghing kính bi nghiềềnn

loloạại cánh khui cánh khuấấy y

llượượng bi cho vào

ttốốc đc độộ qua cqua củủa cánh khua cánh khuấấyy

ƒƒ Các yCác yếếu tu tốố khác: thkhác: thờời gian li gian lưưu cu củủa da dịịch tch tếế bào trong máy, nbào trong máy, nồồng đng độộ ttếếbào, nhi

bào, nhiệệt đt độộ

Độộng h ng họọc phá h c phá hủủy t y tếế bào b bào bằằng máy nghi ng máy nghiềền bi n bi

điđiềề kiki ốố đđ hh ốố đđ ii ii hóhó hhẩẩ ii i hi h C

„ TrongTrong điđiềềuu kikiệệnn ccốố đđịịnh,nh, ttốốcc đđộộ gigiảảii phóngphóng ssảảnn phphẩẩmm ttừừ vivi sinhsinh vvậậtt CCrrssẽẽ ttỉỉ llệệ vvớớii nnồồngng đđộộ ttếế bàobào đãđã bbịị pháphá hhủủyy TTốốcc đđộộ gigiảảii phóngphóng ssảảnn phphẩẩmm

dCrr/dt/dt ssẽẽ ttỉỉ llệệ vvớớii nnồồngng đđộộ ccủủaa ssảảnn phphẩẩmm chchưưaa đđượượcc gigiảảii phóngphóng (C(Crrmax

–

– CCrr))::

dC

) (

1 (

C C

) ( max

r r

nghiềền,n, llượượngng bibi chocho vào,vào, ttốốcc đđộộ cánhcánh khukhuấấyy vàvà nhinhiệệtt đđộộ

„ Crrmaxlàlà llượượngng ssảảnn phphẩẩmm ttốốii đađa cócó ththểể đđạạtt đđượượcc vàvà đđượượcc xácxác đđịịnhnh bbằằngng

th hihiệệ

th

thựựcc nghinghiệệmm