slide báo cáo Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose

1.2 Vi sinh vật tổng hợp cellulose.• Acetobacter được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong việc sản xuất cellulose.. • Vì độ nhớt và đặc tính ưa nước của lớp cellulose nên khả năng ch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Môn Học: Ứng Dụng CNSH trong

CNTP

Đề tài: Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose

GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang

Nhóm 17

1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu tổng quan về Bacterial cellulose

1.2 Vi sinh vật tổng hợp cellulose

1.3 Sinh tổng hợp cellulose từ vi khuẩn A.xylinum

1.4 Môi trường nuôi cấy

1.5 Ứng dụng

2 Quy trình công nghệ

1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu tổng quan về Bacterial cellulose

Những chuỗi glucan được vi

khuẩn tổng hợp nối lại với

1.1.2 Mức độ polymer hoá

• DP của cellulose thực vật khoảng 13000 –

14000, và của cellulose vi khuẩn khoảng 2000 –

6000

• Tuy nhiên, trong một số trường hợp DP của cellulose vi khuẩn có thể đạt 16000 đến 20000 phân tử glucose Đường kính của bacterial cellulose chỉ vào khoảng 1/100 đường kính của cellulose thực vật

• Cellulose vi khuẩn được tạo thành bởi hai loại cấu trúc tinh thể riêng biệt, cellulose Iα và Iβ

• Hầu hết tinh thể Iβ tinh khiết thu được từ cellulose thực vật thì vẫn chưa có cách nào thu nhận được các tinh thể Iα tinh khiết từ nguồn này Cấu trúc của cellulose được tổng hợp từ vi khuẩn A xylinum chứa nhiều tinh thể Iα hơn cellulose thực vật Ngược lại Iβ chủ yếu có trong thành phần cellulose hình thành nên thành tế bào của một số loài thực vật bậc cao như cotton và gai

1.1.3 Cấu trúc kết tinh của cellulose vi khuẩn.

1.1.4 Tính chất của cellulose vi khuẩn

• Rất trong suốt, cấu trúc mạng tinh thể mịn, thành phần tỉ lệ Iα cao

• Kích thước ổn định, sức căng và độ bền sinh học cao, đặc biệt là cellulose I

• Khả năng giữ nước và hấp thụ nước cực tốt, tính xốp chọn lọc

• Có độ tinh sạch cao so với các loại cellulose khác, không chứa ligin và hemicellulose

• Có thể bị phân hủy hoàn toàn bởi một số vi sinh vật, là nguồn tài nguyên có thể phục hồi

• Khả năng kết sợi, tạo tinh thể tốt

• Tính bền cơ tốt, khả năng chịu nhiệt tốt.

• Lớp màng cellulose được tổng hợp một cách trực tiếp.

• Có thể kiểm soát được đặc điểm lý học của cellulose theo mong muốn bằng cách tác động vào quá trình sinh tổng hợp cellulose của A xylinum.

Cellulose vi

khuẩn (a)

Cellulose

thực vật (b)

1.2 Vi sinh vật tổng hợp cellulose.

• Acetobacter được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong việc sản xuất cellulose Đặc biệt là A xylinum vì những đặc điểm ưu việt của nó như: năng suất tạo cellulose cao, cấu trúc cellulose phù hợp cho các mục đích sử dụng…

Đặc điểm hình thái của A xylinum.

• Dạng hình que, thẳng hay hơi

cong.

• Có thể di động hay không di động,

không sinh bào tử

• Gram âm, chúng có thể đứng riêng

rẽ hay xếp thành chuỗi.

• Khuẩn lạc của A xylinum có kích

thước nhỏ, bề mặt nhầy và trơn,

phần giữa khuẩn lạc lồi lên, dày

hơn và sẫm màu hơn các phần

xung quanh, rìa mép khuẩn lạc

nhẵn.

1.2.3 Đặc điểm sinh lý của A xylinum

• Oxy hóa ethanol thành acid acetic, CO2, H2O

• Phản ứng catalase dương tính: tạo bọt khí trong dung dịch lên men

• Không tăng trưởng trên môi trường Hoyer

• Chuyển hóa glucose thành acid gluconic

• Chuyển hóa glycerol thành dihydroxyaceton

• Không sinh sắc tố nâu

• Tổng hợp cellulose

1.2.4 Đặc điểm sinh trưởng của A

1.2.5 Vai trò của cellulose vi khuẩn đối với A

• Màng cellulose xúc tiến sự hình thành tập đoàn của A xylinum trên cơ chất và bảo vệ vi khuẩn trước những đối thủ cạnh tranh sử dụng cùng cơ chất

• Vì độ nhớt và đặc tính ưa nước của lớp cellulose nên khả năng chống chịu với những thay đổi bất lợi trong môi trường sống tăng lên

• Sợi cellulose giúp chống ảnh hưởng gây chết của tia UV

1.3 Quá trình sinh tổng hợp BC từ vi

khuẩn A.xylinum

Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn

• Giai đoạn polymer hóa

• Giai đoạn kết tinh

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

tổng hợp cellulose

• Kiểu nuôi cấy

• Ảnh hưởng của thiết bị đến năng suất tạo thành cellulose vi khuẩn

• Ảnh hưởng của áp suất oxy đến quá trình tổng hợp cellulose vi khuẩn

• Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến sản phẩm cellulose vi khuẩn

• Ảnh hưởng của thành phần môi trường nuôi cấy

• Tỷ lệ diện tích bề mặt – thể tích (S/V)

Kiểu nuôi cấy

Ảnh hưởng của thiết bị đến năng

suất tạo thành cellulose vi khuẩn

• Thùng lên men khuấy trộn được dùng rộng rãi trong sản xuất cellulose vi khuẩn, nuôi cấy liên tục có bổ sung ethanol làm tăng tốc độ tổng hợp cellulose gấp 2 lần so với nuôi cấy mẻ

• Tuy nhiên, khó khăn của quá trình nuôi cấy lắc

là cellulose sinh ra tích lũy trong môi trường làm cho môi trường có độ nhớt cao dẫn đến khó kiểm soát quá trình khuấy trộn và sục khí

Ảnh hưởng của áp suất oxy đến quá trình tổng hợp cellulose vi khuẩn

• Áp suất oxy ảnh hưởng đến cả sự hình thành cellulose cũng như sức sản xuất màng.

• Cellulose tăng trưởng dưới áp suất oxy thấp có sự phân nhánh nhiều hơn so với cellulose tăng trưởng trong điều kiện áp suất cao hơn.

• Áp suất oxy là 10% tính sản xuất cellulose cao hơn 25%

mà không ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của tế bào Sự tổng hợp cellulose tại áp suất 10% và 15% cao hơn so với đều kiện áp suất khí quyển Tuy nhiên, hàm lượng oxy cao trên 50% lại hạn chế khả năng tổng hợp cellulose của vi sinh vật

Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến sản

phẩm cellulose vi khuẩn

Ảnh hưởng của thành phần môi trường nuôi cấy

từ 0,27 đến 2,13 cm-1

1.4 Môi trường nuôi cấy

a.Nguyên liêu

• Nồng độ cơ chất [S] = 100 – 150g glucose hoặc lactose/lít

• Bổ sung muối amon và phosphate: 5g/l

• Chỉnh pH môi trường bằng acid acetic: pH ≤ 5

• Nước dừa già

• Nước thơm ép

• Rỉ đường

• Nước mía

Các loại môi trường nuôi cấy lên

Môi trường rỉ đường

Môi trường nước mía

• Một sản phẩm thực phẩm được biết đến khá nhiều mà bản chất là cellulose vi khuẩn đó là thạch dừa ( Nata de coco) Nata de coco là một chất màng màu trắng hoặc màu vàng kem được tổng hợp trong quá trình lên men của A.Xylinum trên bề mặt của môi trường có đường và acid, ví dụ như nước trái cây Nata de coco được cho rằng có thể làm thực phẩm ăn kiêng giúp chống lại bệnh ung thư ruột, chống

xơ cứng động mạch, chứng nhồi máu cơ tim và nhiều bệnh khác

 Y học

• Vì khả năng giữ nước cao nên cellulose vi khuẩn có thể

sử dụng như tấm da nhân tạo tạm thời để chữa phỏng Hơn nữa, cellulose vi khuẩn còn làm tăng khả năng phát triển tế bào da người Sản phẩm ứng dụng màng cellulose vi khuẩn trong lĩnh vực y học làm da tạm thời khá phổ biến như chế phẩm Biofill

• Một nhóm các nhà khoa học, sinh học và giải phẩu học phát triển sản phẩm là BASYC® (Bacterial Synthesised Cellulose) BASYC® là ống sản xuất theo phương pháp tĩnh được sử dụng thay thế mạch máu Nghiên cứu này bắt nguồn từ cấu trúc mạng sợi siêu mịn, tính chất bền cơ cao và độ trương phồng cao của cellulose vi khuẩn.

Thịt nhân tạo Bao bọc thịt và xúc xích Giảm huyết thanh cholesterol Thuốc rượu Kombucha hay trà Manchurian

Lĩnh vực Sản phẩm

Y tế

Màng trị thương, màng trị phỏng Tác nhân vận chuyển thuốc

Da nhân tạo Mạch máu nhân tạo Màng bao sụn

Mỹ phẩm

Kem thoa da Chất làm se, chất ổn định Màng nhân tạo

Chất làm dày và tăng độ cứng cho thuốc đánh bóng móng tay

Da giày Da nhân tạo

Thể thao ngoài trời Lều dùng một lần và đồ đùng cắm trại Tiện ích công cộng Màng thẩm thấu ngược

Chăm sóc trẻ em

Tã giấy dùng một lần có khả năng tái sinh

Thùng chứa chịu lực cao

Công nghiệp giấy

Giấy lưu trữ hồ sơ Giấy làm tiền tệ Giấy điện tử

Lĩnh vực Sản phẩm

Máy móc tự động

và máy bay

Thân xe hơi Yếu tố cấu trúc cho máy bay Màng bao tàu vũ trụ

Phòng thí nghiệm Giá thể nuôi cấy mô tế bào thực vậtLĩnh vực khác Màng composite

Sơ đồ quy trình công nghệ

Cặn

Để ráo

Đun sôi 10 – 15 phút

Xả nước lạnh

Ngâm đường dịch đường

Bổ sung chất màu, chất mùi

Nước dừa già

Thuyết minh quy trình công nghệ

2.2 Lọc

•Mục đích: tách phần lớn các tạp chất thô còn nằm trong nước dừa sau khi được chuyển tới nơi sản xuất thạch dừa Quá trình này nhằm mục đích chuẩn bị cho các quá trình tiếp theo

• Quy trình lọc tách các tạp chất thô chuẩn bị cho quy trình lên men sau này

•Biến đổi: trong quá trình lọc chỉ xảy ra các biến đổi về vật lý: sự thay đổi tỷ trọng do có sự tách pha rắn khỏi pha lỏng và dịch lọc trong hơn

• Nguyên tắc: dùng áp suất để đẩy dung dịch qua màng lọc, phần cặn sẽ bị màng lọc ngăn lại, phần nước dừa sẽ đi qua được màng lọc và được gọi là dịch lọc Phần dịch lọc này sau đó sẽ được dẫn đến thiết bị thanh trùng

• Thiết bị: thiết bị thùng chứa lớn, có lớp lưới lọc chắc chắn và các lỗ lọc đủ nhỏ để ngăn tạp chất

là được

• Phương pháp: Bơm nước dừa vào bồn lọc bằng cửa đỉnh và tháo dịch lọc ra bằng cửa đáy Quá trình có thể thực hiện liên tục hoặc gián đoạn tùy thuộc vào quy mô sản xuất

2.3 Bổ sung dưỡng chất

• Mục đích: bổ sung nguồn nitơ, cacbon, cung cấp dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển và sinh tổng hợp sản phẩm

• Thiết bị: bình chứa và thiết bị rót thông thường

• Phương pháp: bổ sung chất dinh dưỡng gồm (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4 và Saccharose với tỷ lệ thành phần như trong môi trường MT5 vào phối trộn với dịch lọc trong thiết bị tiệt trùng

2.4 Thanh trùng_làm nguội

Mục đích:

•Thanh trùng: Tiêu diệt hệ vi sinh vật gây bệnh trong thực phẩm, các vi sinh vật khác và vô hoạt các enzyme có trong dung dịch, chuẩn bị cho quá trình lên men

•Tạo điều kiện hòa tan tốt chất dinh dưỡng vào dịch lọc

•Làm nguội: đưa dung dịch nước dừa về nhiệt độ thích hợp cho Acetobacter xylinum phát triển (28-32°C)

Biến đổi:

• Hóa học: quá trình tiệt trùng sẽ làm biến đổi một

số thành phần hóa học của nước dừa, ví dụ như mất một số vitamin

• Sinh học: vô hoạt enzyme và tiêu diệt vi sinh vật

Thiết bị: thiết bị gia nhiệt (vỏ áo, )

• Sát trùng môi trường: vì trong khoảng pH này, một

số vi sinh vật hoại sinh không phát triển được

Thiết bị: thiết bị rót thông thường

Phương pháp: ứng với mỗi lượng môi trường, lượng acid cần cho đã được tính toán sẵn Sau khi cho acid,

có thể kiểm tra điều chỉnh pH bằng phương pháp lấy mẫu đem thử hoặc sử dụng đầu dò pH.

2.6 Quá trình lên men:

Mục đích: thu nhận sản phNm trao đổi chất bậc 1 mà sản phNm cần thu nhận chính là cellulose của Acetobacter xylinum – đây là mục đích chính của quy trình trong công nghệ lên men thạch dừa

Biến đổi:

• Sinh học: sự gia tăng số lượng tế bào vi khuẩn trong giai đoạn đầu và quá trình trao đổi chất nhằm tạo sản phẩm ngoại bào của

vi khuẩn

• Hóa lý: có sự tạo thành gel – chính là bao nhầy của vi sinh vật bên trong chứa các sợi cellulose

• Vật lý: có quá trình tỏa nhiệt làm tăng nhiệt độ của quá trình lên men

• Hóa sinh: đây là biến đổi quan trọng của quá trình lên men, Acetobacter xylinum sẽ sử dụng cơ chất là đường glucose có sẵn trong môi trường để tạo thành cellulose

Nguyên tắc: dùng hệ thống dao cắt liên tục, khi cho sản phẩm thạch dừa thô vào, hệ thống này sẽ

tự động cắt nhỏ nguyên liệu

Thiết bị: hệ thống dao cắt liên hợp có thể được sử dụng để cắt nguyên liệu thạch dừa thô Tuy nhiên, trong sản xuất người ta dùng các hệ thống liên hợp nhau, đồng thời dùng với mục đích khác

2.8 Ngâm Na2CO3 (3-5%, 15ph)

Mục đích: Trung hòa acid acetic dư

• Khi tách miếng thạch dừa ra khỏi môi trường lên men, nó vẫn còn lẫn rất nhiều acid acetic cho vào lúc đầu để chỉnh pH, sự tồn tại của acid này trong sản phẩm là bất lợi vì nó tạo mùi và vị không thích hợp Chính vì vậy cần dùng Na2CO3 để trung hòa

Biến đổi: Quá trình này xảy ra những biến đổi

hóa học

CH 3 COOH+Na 2 CO 3  CH 3 COONa + CO 2 + H 2 O

Thiết bị và thông số: dùng những khay lớn chứa đựng sản phẩm thạch dừa thô sau đó cho dung dịch và ngâm trong vòng 10 phút Na2CO3 dùng 3-5 % thích hợp nhất

Phương pháp: vì khi ngâm phải tốn thời gian nên

để thực hiện quá trình này ta dùng phương pháp ngâm và rửa gián đoạn Cũng dùng những khay lớn sau đó xếp thạch dừa thô vào, cho dung dịch

Na2CO3 vào qua hệ thống ống dẫn Sau thời gian ngâm ta đem miếng thạch rửa lại với nước lạnh

2.9 Xả nước lạnh

Mục đích: quá trình này nhằm mục đích chuẩn

bị, sau khi rửa lại bằng Na2CO3, xả lại khối bằng nước lạnh nhằm loại hết những hóa chất còn dính trên nguyên liệu

Biến đổi: khi rửa lại bằng nước, hầu như không

có những biến đổi gì đáng kể liên quan tới nguyên liệu

Thiết bị và thông số: trong sản xuất, người ta có thể rửa nguyên liệu bằng 1 hệ thống ống phun liên tục khi cho nguyên liệu thạch dừa chạy trên băng chuyền

Xả nước lạnh vào thạch dừa

2.10 Đun sôi

Mục đích:

• Chế biến: dùng nhiệt độ cao tác động lên khối nguyên liệu, làm khối nguyên liệu trong hơn, đẹp hơn

• Bảo quản: trong quá trình gia nhiệt, ta đã tiêu diệt 1 phần các vi sinh vật có trong thạch dừa

2.11 Ngâm đường

•Mục đích: hoàn thiện sàn phẩm Mục đích ngâm đường làm tăng độ ngọt của sản phẩm, tăng mức độ cảm quan của sản phẩm thạch

•Biến đổi: quá trình biến đổi chủ yếu là biến đổi vật lý,

sự chênh lệch Gradiant nồng độ giữa phía trong và phía ngoài khối thạch dừa làm cho các phân tử đường khếch tán từ ngoài môi trường vào sản phẩm

Thiết bị: thực hiện quá trình này trong bồn ngâm,

có gia nhiệt

Thông số công nghệ: dùng dung dịch nước đường hàm lượng từ 70-80% là thích hợp cho quá trình thẩm thấu và khuếch tán vào khối nguyên liệu, nhiệt độ gia nhiệt lên tới khoảng 60-70oC, nhiệt độ cao giúp gia tăng quá trình khuếch tán nhưng nếu quá cao các phân tử đường sẽ bị phá huỷ

2.12 Bổ sung syrup, hương trái cây

Mục đích: hoàn thiện sản phẩm, mặc dù đã bổ sung đường nhưng để tăng thêm mức độ hấp dẫn, giá trị cảm quan cho sản phẩm người ta bổ sung thêm các loại hương liệu và syrup

Biến đổi: cũng chủ yếu là sự biến đổi về mặt vật

lý do sự thẩm thấu của các cấu tử mùi và màu

Biến đổi: nhiệt độ tăng cao Trong thực tế, người ta còn bổ sung chất tạo dai trong công đoạn này (ví dụ như CMC ), các chất này sẽ liên kết các “dây” cellulose vào nhau làm cho cấu trúc chặt chẽ hơn

Thiết bị và thông số: Dùng các bình lớn rồi cho nguyên liệu vào, nâng nhiệt độ lên cao Có thể dùng các nồi gia nhiệt trực tiếp hay dùng hệ thống trao đổi nhiệt trực tiếp hay gián tiếp.

THE END

Cảm ơn Cô và các bạn đã

lắng nghe!!!