Công nghệ sản xuất Lysine words

Mục LụcLời mở đầuPhần 1: Tổng quan về enzyme1.1Giới thiệu chung1.2Các phương pháp sản xuất lysine1.3Tình hình sản xuất và nhu cầu về lysinePhần 2: Công nghệ sản xuất Lysine 2.1Vi sinh vật tổng hợp Lysine2.2 Cơ chế sinh tổng hợp2.3 Công nghệ sản xuất lysine2.3.1Môi trường2.3.2 Nuôi cấy giống vi sinh vật 1. Nồi phản ứng dạng đứng 2. Thiết bị thanh trùng bản mỏng2.3.3Lên men2.3.4 Lọc qua máy siêu lọc2.3.5 Trao đổi ion2.3.6 Thu nhận và tinh sạch Lysine 1. Cô đặc chân không 2. Sấy phun2.3.7 Đóng gói bao bì

Mục Lục

Lời mở đầu

Phần 1: Tổng quan về enzyme

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Các phương pháp sản xuất lysine

1.3 Tình hình sản xuất và nhu cầu về lysine

Phần 2: Công nghệ sản xuất Lysine

2.1Vi sinh vật tổng hợp Lysine

2.3.4 Lọc qua máy siêu lọc

2.3.5 Trao đổi ion

2.3.6 Thu nhận và tinh sạch Lysine

1 Cô đặc chân không

2 Sấy phun

2.3.7 Đóng gói bao bì

Công nghệ sản xuất lysine

LỜI MỞ ĐẦU

- Trong cơ thể mỗi con người đều có các chất cơ bản giúp cơ thể tồn tại và hoạt động như protein, lipit, glucid… là những chất không thể thiếu Bên cạnh đó cũng có một số chất tuy hàm lượng của chúng không cần nhiều nhưng nếu thiếu thì cơ thể chúng khó hoạt động bình thường và khỏe mạnh như vitamin, các chất khoáng, các acid amin…

- Có 4 acid amin thiết yếu hay bị thiếu hụt trong khẩu phần ăn đó là lysine, threonine, tryptophan và methyonine Trong đó lysine được quan tâm hơn cả vì có nhu cầu khá cao nhưng lại bị thiếu hụt nhất Tình trạng thiếu lysine rất phổ biến, đặc biệt ở trẻ nhỏ Thiếu lysine dẫn đến giảm tổng hợp protein cơ thể, làm cho trẻ chậm lớn, còi cọc, biếng ăn, hay bệnh, thiếu men tiêu hóa, thiếu nội tiết tố…

- Để tránh thiếu lysine: Biện pháp tối ưu vẫn là bữa ăn đa dạng hợp lý, có đủ các chất dinh dưỡng trong đó có lysine Thức ăn giàu lysine là trứng, sữa, thịt, cá, các loại đậu, nhất là đậu nành Cũng có thể bổ sung lysine vào thực phẩm Một cách dễ thực hiện khác là có thể bổ sung them bằng thuốc bổ có lysine Lysine giúp trẻ ăn ngon miệng, gia tăng chuyển hóa, hấp thu tối đa dinh dưỡng và phát triển chiều cao

- Lysine là một trong 12 acid amin thiết yếu cần có trong bữa ăn hằng ngày Nó giúp tăng cường hấp thụ và duy trì canxi, ngăn ngừa sự bài tiết khoáng chất này ra cơ thể Vì vậy, lysine có tác dụng tăng trưởng chiều cao, ngăn ngừa bệnh loãng xương

- Lysine là thành phần của nhiều loại protein, là yếu tố quan trọng trong việc duy trì hệ miễn dịch, phát triển men tiêu hóa, kích thích ăn ngon Nó cũng ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh mụn rộp nên thường được bác sĩ kê đơn cho người bị rộp môi hay rộp mụn sinh dục Theo nhà khoa học Linus Pauling, người từng nhận hai giải Nobel y học lysine còn có tác dụng ngăn ngừa, chữa trị bệnh tim và đột quỵ

- Người bình thường mỗi ngày cần 1g lysine Tuy nhiên, cơ thể không tự tổng hợp được chất này mà phải được cung cấp qua thực phẩm (như lòng đỏ trứng, cá, thịt, các loại đậu

và sữa tươi) hoặc bổ sung dưới dạng thuốc

- Để cung cấp đủ vi chất này, cần cân đối lại khẩu phần, ăn đủ các thực phẩm như trứng,

cá, sữa tươi Tuy nhiên, lysine trong thực phẩm rất dễ bị phá hủy trong quá trình đun nấu Cung cấp lysine qua thuốc là không cần thiết đối với người bình thường Hơn nữa việc dùng thuốc phải có sự chỉ định, hướng dẫn của bác sĩ và tuân thủ đúng các hướng dẫn đó, vì mọi loại dược phẩm khi dùng không đúng đều có thể gây hại Riêng với lysine liều lượng quá cao có thể gây chứng căng cơ bụng và bệnh tiêu chảy

- Theo các chuyên gia dinh dưỡng, cách cung cấp lysine tiện lợi và hiệu quả nhất là sử dụng các loại thực phẩm chế biến sẵn có bổ sung chất này với một lượng nhỏ, vừa đủ

cho nhu cầu của người bình thường, chẳng hạn như sữa tươi Ở các nước phương Tây, nơi có tốc độ phát triển chiều cao khá lý tưởng, các loại sữa tươi chứa lysine rất phổ biến Hiện nay Việt Nam cũng đã bắt đầu xuất hiện các sản phẩm sữa tươi chứa vi chất này.

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ LYSINE

Acid amin được phân thành một số họ trên cơ sở các phản ứng mở đầu chung trong

Họ acid amin thơm: phenylalanyl, tryptophan, tirozil

Họ aspactat: asparagin, acid aspactic, izoloxin, lysine, metyonin, treonin

-Lysine là một acid amin có chứa 2 nhóm (-NH2) và 1 nhóm (-COOH) Chúng có

-Tên hóa học của Lysine là 2.6 diaminocaproic acid hoặc α, ε C6H14O2N2 có cấu hình

L và D Loại sản xuất vi sinh là loại cấu hình L

- Côngthứcphântử : C6H11N2O2

- Khối lượng phân tử gam: 146.188 g/mol

- Lysine là một acid amin thuộc họ aspartat, được tổng hợp qua con đường trao đổi chất phân nhánh Qua con đường này còn có metionin, treonin, izoloxin cũng được tạo thành

- Lysine là 1 loại acid amin cần thiết cho hoạt động sống của người và động vật Là axit amin không thay thê (cơ thể không tự tổng hợp được), phải tổng hợp từ bên ngoài hay nói

1.1.3 Vai trò của lysine

- Lysine giữ vai trò sống còn trong sự tổng hợp protein Nó là chìa khóa trong việc sản xuất enzyme, hoocmon và các kháng thể giúp cơ thể tăng cường sức đề kháng và chống trả với bệnh tật, đặc biệt ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh mụn rộp

- Lysine giúp trẻ ăn ngon miệng, gia tăng chuyển hóa hấp thu tối đa dinh dưỡng

- Lysine có nhiều trong trứng, thịt, sữa, cá, đậu nành… Nhưng dễ bị phá hủy trong

- Cơ thể người và động vật thiếu lysine cơ thể sẽ khó hoạt động bình thường, đặc biệt

ở động vật còn non và trẻ em sẽ xảy ra hiện tượng chậm lớn, trí tuệ phát triển kém, dễ thiếu men tiêu hóa và nội tiết tố Chính vì thế lysine là một loại acid amin thường được thêm vào

- Lysine làm cải thiện chất lượng thực phẩm bởi làm cân đối các acid amine trong thực phẩm

- Lysine sử dụng như là chất tăng cường dinh dưỡng vì có thể nâng cao hệ số sử dụng Protein

- Sử dụng làm chất phụ gia Trong công nghệ hóa học:

- Ứng dụng làm chất hoạt động bề mặt , làm mỹ phẩm…

- Dùng làm thành phần hòa tan trong thuốc chứa bệnh , hồi sức…

-1.2 Các phương pháp sản xuất lysine

- Người ta dùng acid hoặc kiềm để thủy phân các nguyên liệu chứa nhiều protein Các phương pháp này hiện vẫn đang sử dụng rộng rãi Tuy nhiên phương pháp này

có nhược điểm là: Cần thiết bị chịu acid hoặc chịu kiềm -Trong trường hợp sử dụng kiềm để thủy phân sẽ tạo ra nhiều acid amin dạng D -Trong trường hợp sử dụng acid để thủy phân sẽ tạo ra ô nhiễm môi trường không khí do lượng acid dư bay hơi trong quá trình thủy phân

-Đây cũng là phương pháp được áp dụng nhiều trong thực tế Tuy nhiên, phương pháp này cũng lại cho ra nhưng acid amin raxemic ( hỗn hợp acid amin dạng D và dạng L) Việc tách 2 acid amin này ra rất tốn kém

-Người ta kết hợp phương pháp hóa học và sinh học Bằng con đường hóa học, người ta thu nhận hợp chất dạng L – Keto và các tiền chất của acid amin Sau đó người ta sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa những chất này thành acid amin

- Ngày nay các nước trên thế giới như Nhật và Mỹ dùng phương pháp này để sản xuất

- Phương pháp này lợi dụng khả năng sinh tổng hợp thừa một số loại acid amin của một số vi sinh vật, người ta nuôi cấy vi sinh vật để thu nhận các acid amin

- Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm:

Phương pháp cho phép ta thu nhận acid amin dạng L

Nguyên liệu sản xuất rẻ, dễ kiếm Tốc độ trao đổi chất, tốc độ sinh sản và phát triển mạnh của vi sinh vật cho phép

Giá thành sản phẩm thấp hơn giá thành sản phẩm từ những phương pháp khác

1.3 Tình hình sản xuất và nhu cầu về lysine

- Tổng sản lượng lysine thế giới năm 2006 là 1.101.000 tấn

- Trong đó, sản lượng lysine do Trung Quốc sản xuất là 283.600 tấn

- Tổng tiêu thụ lysine toàn cầu là 960.000 tấn

Gansu Ronghua Trung Quốc 2.400

Eppens

Trung quốc 12.000

- Các chủng vi khuẩn trên cần homoserin để phát triển và tổng hợp lyzin Trong quá trình sản xuất

có thể thay homoserin bằng methionin và treonin , lấy nguồn từ cao ngô hoặc từ nguồn nito hữu cơ như nước chiết cá, nước chiết nấm men đảm bảo cho quá trình lên mên xảy ra mạnh.Trong quá trình tổng hợp cần chú ý tới lượng homoserine cho vào vì sự tạo thành lyzin ảnh hưởng rất lớn đến những enzim khác

2.2 Cơ chế sinh tổng hợp

2.2.1 Những nguyên tắc chung

• Hiện tượng siêu tổng hợp (hay tổng hợp thừa) là hiện tượng vi sinh vật sinh ra nhều chất sản phẩm hơn so với nhu cầu của chúng trong quá trình lên men

• Nguyên lí điều hòa trao đổi chất: gồm 3 cơ chế

Điều hòa các hoạt tính enzim nhờ ức chế bằng sản phẩm cuối cùng

Điều hòa tổng hợp enzim nhơ cơ chế kiềm chế bằng sản phẩm cuối cùng

Điều hòa tổng hợp enzim nhờ kiềm chế dị hóa trong môi trường có nhiều cơ chất thì trước hết tổng hợp enzim nào xúc tác cho sự phân hủy cơ chất dễ sử dụng nhất

Thay đổi do đột biến trong quá trình điều hòa trao đổi chất.

2.2.2 Cơ chế tổng hợp

- Để tạo ra lượng lysine nhiều , ta nên ức chế con đường L – aspartate – β seminal dehyde tạo ra methionine và isoleucine

 Sử dụng loài đột biến mẫn cảm với threonine Và vi sinh vật sẽ không tạo ra enzyme homoserine dehydrogenase → lượng threonin tạo ra sẽ rất thấp Đây là loại thường sử dụng nhất.

 Sử dụng 1 loại vi khuẩn kháng 1 chất tương đồng của lysine ( như S- aminoethyl cytein còn gọi là AEC ) Khi dó aspartate kinase sẽ không bị ức chế ngược bởi lysine và threonine

Vậy vi sinh vật (VSV) mà ta chọn làm giống lên men( tất nhiên là phải có khả năng tổng hợp lysine) phải sống trên môi trường có chứa hàm lượng methionine cao và threonine thấp

Tóm lại: trong môi trường nuôi cấy phải có những yêu cầu sau:

• Liều lượng hemoserin thích hợp để cho VSV sinh trưởng và không ức chế sản phẩm

2.3 Công nghệ sản xuất lyzin

Mật rỉ phải được phân tích trước khi sử dụng.

Các nguồn cacbon như dầu khí, etanol, axetat cũng có rất nhiều triển vọng và đem lại hiệu quả kinh tế cao

Người ta thường dùng các loại muối chứa NH4+ như NH4Cl, ( NH4)2SO4 , NH4H2PO4 , (NH4)2HPO4 , NH4OH hay khí NH3 hoặc ure làm nguồn cung cấp nito Trong công nghiệp người ta thường dùng NH3, dưới dạng nước , khí hoặc ure Khi dùng ure cần quan tâm đến nồng độ ban đầu vì khả năng chịu đựng ure của mỗi giống mỗi khác

Sử dụng biotin với hàm lượng 0,3mg/l và thiamin với hàm lượng 0,1mg/l

2.3.2 Nuôi cấy giống vi sinh vật

Giống được mua ở cơ sở sản xuất giống có uy tín để đảm bảo chất lượng giống tốt là điều rất quan trong vì giống không tốt tức đáp ứng được yêu cầu của một giống VSV công nghiệp thì sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng sản phẩm

Giống được bảo quản trong các ống đong khô, được đập ra và cấy vào đĩa thạch hottinger sau đó cấy vào ống thạch,vào bình tam giác, lắc và cho vào các nồi nhân giống sục khí kết hợp với khuấy khoảng 16-24h, tỉ lệ giống cấy chuyển là 1-5%

• Thiết bị chính trong chuẩn bị môi trường

1 Nồi phản ứng dạng đứng

Hình 1:Nồi phản ứng dạng đứng:

1- Ống nối để nạp chất tải nhiệt;

2- Ống chảy tràn sản phẩm;

3- Ống quá áp;

4- Đầu nối ống nạp nguyên liệu;

5- Cửa quan sát;

6- Cửa thoát chất tải nhiệt;

7- Cửa vào của chất tải nhiệt;

b Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động:

- Nồi phản ứng được được làm bằng thép hoặc bằng gang tráng men dùng để tiến hành các quá trình hóa lý khác nhau

- Là thiết bị xilanh dạng đứng, có áo hơi, bên trong có cơ cấu đảo trộn dạng tuabin nở

- Trên thiết bị có các khớp nối để nạp các chất tải nhiệt, chảy tràn sản phẩm, để nối ống quá áp, khớp nối đầu ống nguyên liệu, khảo sát chất liệu, các khớp nối để nạp và ống chất tải nhiệt và sản phẩm, van an toàn, nhiệt kế

2.Thiết bị thanh trùng bản mỏng

a Mục đích

- Quá trình thanh trùng sẽ làm đông tụ và tách bỏ một số hợp chất keo kém bền nhiệt, những hợp chất này dễ gây nghẹt trong quá trình siêu lọc (UF) tiếp theo, đồng thời tiêu diệt hoặc ức chế các vi sinh vật nhiễm

b Biến đổi của nguyên liệu:

- Hóa lý: Một số hợp chất keo kém bền nhiệt sẽ bị đông tụ

- Vi sinh: Các vi sinh vật nhiễm trong bán thành phẩm sẽ bị tiêu diệt hoặc ức chế

c Thiết bị và thông số kỹ thuật:

Cấu tạo:

- Bộ phân chính của thiết bị là những tấm bảng hình chữ nhật có độ dày rất mỏng được làm bằng thép không gỉ được ghép lại với nhau, mỗi tấm có 4 lỗ ở 4 góc, hệ thống có các rảnh ở khắp bề mặt để tạo sự chảy rối, tăng diện tích truyền nhiệt

Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng ở nhiệt độ 73oC trong 15 giây Sau đó dung

dịch được đưa qua màng lọc với kích thước lỗ sấp sỉ 10μm trước khi đưa vào thiết bị lọc UF

Hình 3 Thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng

2.3.3.Lên men

a Bản chất : Nuôi cấy vi sinh vật để thu nhận các sản phẩm trao đổi chất là Lysine

Trong đó Lysine là chất trao đổi bậc nhằm khai thác Lysine từ nguồn nguyên liệu ban đầu và vi sinh vật

Xuất hiện gradient nhiệt độ trong dung dịch, khối lượng dung dịch, tỷ trọng, PH

dung dịch bị thay đổi Có sự gia tăng số lượng vsv, và tạo sinh khối trao đổi chất của vsv.

+ Quá trình lên men gồm 2 pha điển hình:

- Pha tạo thành sinh khối :

Sự tạo thành sinh khối phát triển mạnh trong khoảng 12-18 giờ đầu sau khi bắt đầu lên men Sử dụng hết khoảng 25% nguồn cacbon, gần như tất cả nguồn Nitơ

- Pha tạo thành Lysine :Tốc độ tạo sinh khối chậm lại Lúc này Lysine bắt đầu tích tụ trong dịch lên men với hàm lượng ngày càng tăng dần Tốc độ tổng hợp trung bình là 0.8 -1 g/lit.giờ Khi bắt đầu tạo lysine thì lượng thireonin trong môi trường đã sử dụng gần hết

+ Lên men tĩnh

+ Lên men tĩnh có bổ sung cơ

+ Lên men liên tục

• Lựa chọn phương pháp

 Lên men lysine là quá trình nuôi cấy vi khuẩn hiếu khí, nên các vi sinh vật nhiễm sẽ dễ phát triển sinh ra các enzyme khác, làm giảm hoạt lực các enzyme sinh tổng hợp lysine

 Nếu cơ chất cho vào nhiều lần, thông số công nghệ trong thiết bị lên men

sẽ thay đổi, khó điều khiển Hiệu suất tổng hợp lysine sẽ không cao

 Phương pháp thích hợp nhất là lên men tĩnh và lên men tĩnh có bổ sung cơ chất Tuy nhiên, nếu kiểm soát được vi sinh vật nhiễm và các thông số công nghệ thì lên men liên tục sẽ cho năng suất và sản lượng lysine cao hơn

• Điều kiện lên men:

- Nếu nhiệt độ thấp 5-60 C so với nhiệt độ tối ưu thì quá trình lên men sẽ lâu

- Nếu nhiệt độ cao hơn 5- 60 C so với nhiệt độ tối ưu thì vi khuẩn sẽ phát triển yếu

và ngả sang quá trình tự phân

 Tác động của oxy :

- Oxy ảnh hưởng đến hoạt tính của các enzyme dehydrogenase ( trong chu trình

krebs ) và các enzyme trong chu trình glyoxalat.

- Nếu oxy quá ít : → tạo thành alanine và acid lactic

- Nếu oxy quá cao: → làm dung dịch có nhiều bọt trong dung dịch ( để làm giảm lượng bọt dùng silicone , polypropylen ,ester các acid béo… )

đồng thời vi sinh vật tạo ra nhiêu sinh khối hơn

Thiết bị lên men.

Hình 1: thiết bị nuôi cấy bề sâu

 Thiết bị gồm những phần chính:

♦ Hệ thống ống nhập liệu và tháo liệu , hệ thống bổ xung chất phá bọt

♦ Có máy lọc và hệ thống ống dẫn khí vào bên trong hay đi ra ngoài

♦ Lớp vỏ áo hiệu chỉnh

♦ Cánh khuấy để tạo ra canh trường đồng nhất

♦ Có những đầu dò cảm biến PH, nhiệt độ , oxy, sinh khối , đường

♦ Hệ thống máy tính sử lý tín hiệu

dưởng và tế bào Giúp quá trình trao đổi chất diễn ra mạnh mẽ Tăng khả năng hòa tan của oxy từ bọt khí Tách các khí CO2, H2S, NH3 làm giảm ảnh hưởng xấu của các loại khí đến vsv Tăng quá trình sản xuất của con giống + Tỷ lên nhiễm khuẩn từ bên ngoài thấp

- Nhược điểm: thiết bị này đắt tiền.

- PH tối ưu : phụ thuộc vào loại vi khuẩn sử dụng và thường là 7 -7.6

- Nhiệt độ tối ưu : + Phụ thuộc vào loại vi khuẩn sử dụng và thường là 28- 30 0C

Những loại vi khuẩn đột biến thì có thể chịu được nhiệt độ cao hơn :

Ví dụ :

Vi khuẩn corynebacterium glutamicum - US4275157 : 24- 370C

Vi khuẩn corynebacterium glutamicum – US4623623 : 20 – 400C

Vi khuẩn corynebacterium thermoaminogenes : 20 – 50 0C Nhiệt độ tối ưu là 34oC

Vi khuẩn Nocardia alkanoglutinousa khoảng nhiệt độ thích hợp là 27- 370C

- Lượng Oxy thổi vào:

Quá trình Ly tâm ( sử dụng máy ly tâm lọc)

- Mục đích : tách bỏ xác vi sinh vật và tạp chất rắn khỏi dung dịch sau lên men Thiết bị gồm thùng quay hình trụ có vách đục lỗ bên ngoài bọc vải lọc,moteur và trục quay

- Nguyên lý làm việc: Khi thùng quay với tốc độ cao tạo ra lực li tâm làm dung dịch trong thùng quay ép sát vào vách thùng quay Phần lỏng cùng với các cấu tử hòa tan sẽ qua vải lọc ra ngoài còn chất rắn là xác vi sinh vật bị giữ lại bên trong thùng quay

- Thông số công nghệ : tốc độ vòng quay 1000 vòng /phút , thể tích thùng quay 2m3

2.3.4 Lọc qua máy siêu lọc:

Lọc: Là quá trình phân riêng hỗn hợp dựa trên cơ sở chênh lệch áp suất 2 bên màng và

kích thước tương đối của các phần tử trong dung dịch với màng

Mục đích: tách lysine ra khỏi dung dịch lên men

Các loại màng menbrane thường dùng trong công nghiệp