công nghệ sản xuất vitamin 12 quá trình thiết bị

Tách các chất không mong muốn ra khỏi dòng rác nhờ sử dụng máy đánh tơi để xé rách các túi nilon chứa rác và máy sàng tuyển tách cơ khí tự động tách những thành phần có độ cứng nặng như đá, sỏi mảnh thủy tinh, vỏ chai, các mảnh kim loại .v.v…, thành phần nhựa nilon nhẹ hơn được tách xuống băng tải riêng để được đưa đi tái chế, và thành phần chính dùng để chế biến tiếp thành phân compost là các thành phần hữu cơ có thể phân hủy sinh học được. 3. Vi sinh vật tham gia tổng hợp vitamin B12 Qúa trình sinh tổng hợp vitamin B12 là một quá trình rất phức tạp trải qua nhiều giai đoạn khác nhau nhờ sự tham gia của nhiều loại enzyme khac nhau Quá trình sinh tổng hợp vitamin B12 bắt đầu bằng sự tạo thành các porphinin,sau đó gắn các nucleotide và các thành phần khác vào Porphinin của vitamin B12 khac với porphinin của xytocrom,clorophin ở chỗ nó chứa rất nhiều nhóm CHCH2COOH và CH3 VI SINH VẬT 1.Ưu điểm của vi sinh vật Chủ động về nguyên liệu nuôi cấy và giống Chu kì sinh trưởng của vi sinh vật ngắn Điều khiển cơ chế sinh tổng hợp theo hướng có lợi Hệ enzyme vi sinh vật phong phú,hoạt tính cao Hiệu quả kinh tế cao 3. Vi sinh vật tham gia tổng hợp vitamin B12 Qúa trình sinh tổng hợp vitamin B12 là một quá trình rất phức tạp trải qua nhiều giai đoạn khác nhau nhờ sự tham gia của nhiều loại enzyme khac nhau Quá trình sinh tổng hợp vitamin B12 bắt đầu bằng sự tạo thành các porphinin,sau đó gắn các nucleotide và các thành phần khác vào Porphinin của vitamin B12 khac với porphinin của xytocrom,clorophin ở chỗ nó chứa rất nhiều nhóm CHCH2COOH và CH3 Phần I: Giới thiệu chung 1.Giới thiệu chung 2.Tính chất của vitamin B12 Phần II: Nguyên liệu sản xuất I.VI SINH VẬT II.RỈ ĐƯỜNG III.HÈM RƯỢU IV.DỊCH WHEY Phần III: Sản xuất I.QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VITAMIN B12 TỪ VI SINH VẬT. II.GIẢI THÍCH CÁC GIAI ĐOẠN: 1.Nhân giống 2.Chuẩn bị môi trường lên men 3.Lên men 4.Ly tâm 5.Acid hóa 6.Hấp phụ 7.Giải hấp 8.Cô đặt 9.Kết tinh 10.Ly tâm 11.Sấy Phần IV. Sản phẩm Phần V. Tài liệu tham khảo

Tổng quan

Phần I: Giới thiệu chung

1.Giới thiệu chung

I.QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VITAMIN B12 TỪ VI SINH VẬT

II.GIẢI THÍCH CÁC GIAI ĐOẠN:

1.Nhân giống 2.Chuẩn bị môi trường lên men 3.Lên men

4.Ly tâm 5.Acid hóa 6.Hấp phụ 7.Giải hấp 8.Cô đặt 9.Kết tinh 10.Ly tâm 11.Sấy

Phần IV Sản phẩm Phần V Tài liệu tham khảo

1 Giới thiệu chung

Cyanocobalamin, được định nghĩa là vitamin B12, là một hợp chất cobalamin bền vững, được sản xuất ở quy mô công nghiệp nhưng không tìm thấy trong tự nhiên Vitamin B12 là một vitamin quan trọng dùng để chữa bệnh thiếu máu nguy hiểm và bệnh viêm dây thần kinh ngoại biên, cần bổ sung trong khẩu phần ăn hằng ngày

Tổng hợp vitamin B12 bằng phương pháp hóa học rất khó khăn và tốn kém nên người ta thường dùng đại trà phương pháp lên men vi sinh vật gián đoạn hoặc kết hợp gián đoạn và liên tục

Vitamin B12 thường có trong lòng đỏ trứng, sữa, các sản phẩm từ sữa, thịt, gia cầm và tôm cua…

Phần I: Giới thiệu chung

Vitamin B12

Vi sinh vật

Rỉ đường

Hèm rượu Dịch whey

Phần II: Nguyên liệu sản xuất

Sơ đồ 1 Biểu hiện nguyên liệu sản xuất vitamin B12

1.Ưu điểm của vi sinh vật

• Chủ động về nguyên liệu nuôi cấy và giống

• Chu kì sinh trưởng của vi sinh vật ngắn

• Điều khiển cơ chế sinh tổng hợp theo hướng có lợi

• Hệ enzyme vi sinh vật phong phú,hoạt tính cao

• Hiệu quả kinh tế cao

2.Giống vi sinh vật

o Yêu cầu của giống

• Khả năng sinh tổng hợp mạnh

• Khả năng sinh trưởng nhanh và phát triển mạnh

• Giống phải ổn định trong quá trình nuôi cấy

• Gia thành thấp

o Phân lập giống

• Phân lập giống trong điều kiện tự nhiên

• Phân lập giống trong điều kiện sản xuất

o Bảo quản giống

• Bảo quản giống bằng phương pháp cấy truyền

• Bảo quản giống bằng phương pháp khô

• Bảo quản giống bằng phương pháp đông khô

• Bảo quản giống bằng phương pháp lạnh đông trong nito lỏng

3 Vi sinh vật tham gia tổng hợp vitamin B12

• Qúa trình sinh tổng hợp vitamin B12 là một quá trình rất phức tạp trải qua nhiều giai đoạn khác nhau nhờ sự tham gia của nhiều loại enzyme khac nhau

• Quá trình sinh tổng hợp vitamin B12 bắt đầu bằng sự tạo thành các porphinin,sau đó gắn các nucleotide và các thành phần khác vào

• Porphinin của vitamin B12 khac với porphinin của xytocrom,clorophin ở chỗ nó chứa rất nhiều nhóm -CH-CH2COOH và CH3

• Có trong cấu tạo vitamin B12 được gắn vào bằng ba hóa trị thông thường và ba hóa trị phụ.co tạo màu đỏ cho vitamin B12

• Tham gia tổng hợp vitamin B12 có sự tham gia của nhiều vi sinh vật khac nhau như:

Agrobacterium radiobacter, Bacillus megaterium, Clostridium sticklandii…ngoài ra còn có các giống thuộc xạ khuẩn actinomyces

a Vi khuẩn propionic shermanii

 Đặc điểm:

• Là trực khuẩn,kích thước nhỏ

• Trong thiên nhiên chúng từng xếp thành từng đôi

hoặc chuỗi ngắn

• Hiếu khí tùy nghi

• Chúng có khả năng lên men acid

lactic,glyceron,glucose,

• pH hoạt động khoảng 4,5-7,5 pH tối ưu cho việc sinh tổng hợp B12 là 5,8-7,5

• Nhiệt đọ thích hợp cho sinh tổng hợp vitamin B12 là 28-30oC

• Các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng bao gồm : muối amon, amoniac, CoCl2 hoặc Co(NO3)2

Các kim loại Cu, Fe, Zn thường làm giảm quá trình sinh tổng hợp B12.

Hình 1 Vi khuẩn propionic shermanii

 Đặc điểm:

môi trường chứa glucose, tinh bột, mật rỉ, bã rượu

amon, muối coban và CaCO3.

nuôi cấy

vitamin B12 chỉ mạnh khi kết thúc quá trình tăng sinh khối.

b Xạ khuẩn actinomyces

• pH ban đầu môi trường nên điều chỉnh vào khoảng 7 Ở pha thứ nhất, pH sẽ

giảm xuống khoảng 6,5 và bước sang

pha thứ hai pH sẽ tăng dần lên 8,2 - 8,7

tổng hợp vitamin B12, do đó trong quá trình lên men bắt buộc phải có thổi khí mạnh

 Đặc điểm:

c Vi khuẩn sinh metan

1 Ưu điểm khi sử dụng rỉ đường làm nguyên liệu :

• Khối lượng lớn ,dồi dào

• Sử dụng tiện lợi,nguồn cung phổ biến

• Giá rẻ

2 Thành phần rỉ đường : thông thường chứa nhiều trong:

• Mía 3-3,5 % trọng lượng mía

• Củ cải đường

– Nước: 15-20%

– Chất khô: 80-85%

– Trong đó có 60% là đường (40% là đường saccharose, 20% là fructose

và glucose) và 40% chất khô còn lại là chất phi đường (không phải là đường)

– Trong thành phần phi đường có khoảng 30 - 32% hợp chất hữu cơ và 6

- 10% hợp chất vô cơ Trong hợp chất vô cơ gồm có: K2O 3,5%,

Fe2O3 0,2%, MgO 0,1%, sulfat 1,6%, CaO 1,5%, SiO2 0,5%, P2O5 0,2%, Cloride 0,4%

II.RỈ ĐƯỜNG

Hèm rượu là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất ethanol bằng phương pháp lên men

1 Ưu điểm

• Rẻ tiền,dễ kiếm

• Tận dụng được nguồn phế phụ liệu

2 Thành phần hóa học của hèm rượu :

Bảng 1 Thành phần hóa học của hèm rượu

•Trong dịch Whey, lactose có thể làm nguồn cacbon cho vi sinh vật sử dụng để phát triển Trong dịch Whey và men chiết có đầy đủ các chất dinh đường cho sự phát triền và hình thành vitamin B12 từ vi sinh vật.

•Trên phương diện đó, với nhược điểm của dịch Whey nên việc sử dụng để sản xuất vitamin B12 thì nhỏ và rải rác, riêng lẻ, không đủ cung cấp cho quá trình sản xuất có lợi của vitamin B12

IV DỊCH WHEY

 Thành phần hóa học của dich whey

Bảng 2 Thành phần hóa học của dịch whey

I QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VITAMIN B12 TỪ VI

1 Sơ đồ khối

Phần III: Sản xuất

2 Sơ đồ thiết bị thu nhận vitamin b12

Hình 2 Thiết bị thu nhận vitamin B12

1- Thùng chứa bã; 2- Bộ gạn bã; 3- Thùng chứa bã đặc; 4- Thùng chứa chất được gạn trong bã; 5- Máy lạnh để làm lạnh chất gạn; 6- Bộ đo metanol; 7- Bộ đo dung dịch CoCl2.6H2O; 8- Nồi lên men metanol; 9- Bộ đo HCl;10- Bộ đo dung dịch Na2SO3; 11- Máy trộn dịch lên men metanol; 12- Thùng phản ứng để ổn định vitamin B12 trong dịch lên men metanol; 13- Bộ đun nóng để ổn định dịch lên men; 14- Lọc khí thải ra từ dịch lên men; 15- Đun nóng dung dịch lên men đã được ổn định; 16- Bốn thiết bị cô chân không; 17- Bình ngưng tụ;18- Bơm chân không; 19- Thùng chứa dung dịch lên men đã được cô đặc; 20- Thùng trung gian chứa dung dịch lên men đã được cô đặc; 21- Bộ đun nóng dung dịch lên men đã được cô đặc; 22- Máy sấy phun; 23- Xyclon của máy sấy phun; 24- Phểu chứa chất cô dạng khô; 25- Máy gói tự động vào bao; 26- Thiết bị lọc khí để làm sạch khí thải từ máy sấy; 27- Bộ thiết bị đốt khí được tách ra khi axit hóa và đun nóng dịch lên men; 28- Bình chứa khí lên men; 29- Máy lạnh để tách nước ra khỏi khí lên men; 30- Bếp hơi dùng cho máy sấy phun

Công đoạn Thiết bị cơ bản(hình minh họa)

- Nạp bã axeton-butylic từ thùng chứa vào bộ gạn Làm lạnh chất gạn - Bộ gạn 2, thiết bị lạnh 5

- Nạp chất gạn lạnh (55 - 57oC) vào thiết bị lên men Lên men metylic

yếm khí liên tục- Ổn định vitamin B12 khi gia công nhiệt bằng con đường

khuấy trộn với natri sunfit và HCl- Đun nóng dịch lên men metylic đã

được ổn định trước khi cô- Cô dịch metylic- Đun nóng phần cô đặc của

dung dịch lên men metylic trước khi sấy- Sấy phần cô đặc- Tách sản phẩm

và không khí

- Thùng lên men (bê tông cốt sắt) 8 có thể tích 4200 m3- Nồi phản ứng 12- Các bộ đun nóng 15- Thiết bị cô chân không 16- Các bộ đun nóng 21- Máy sấy phun 22- Hệ băng tải khí nén, xyclon 23, thiết bị lọc khí 26

1 Nhân giống

 Mục đích công nghệ: để chuẩn bị cho quá trình lên men, làm tăng sinh khối, tích lũy đủ số

lượng tế bào cần thiết để cấy giống vào môi trường lên men.

Thời gian tiệt trùng 30 phút

II GIẢI THÍCH CÁC GIAI ĐOẠN :

Bảng 3 Môi trường nhân giống

 Cách biến đổi: sinh học

• Vi khuẩn Prop.shermanii sử dụng cơ chất trong môi trường để tăng sinh khối.

• Hàm cơ chất trong môi trường giảm theo thời gian, sinh khối vi khuẩn tăng

 Thiết bị nhân giống:

Hình 4 Thiết bị nhân giống

1. Hệ thống điều nhiệt (nhân giống trong erlen)

2. Bình nhân giống trung gian

3. Thiết bị nhân giống

•Có dạng hình trụ đứng, chế tạo bằng thép không rỉ Bên trong

có hệ thống cánh khuấy Xung quanh là lớp vỏ áo cho tác nhân

điều nhiệt để ổn định nhiệt độ canh trường trong quá trình nhân

giống

•Phần trên nắp có các cửa khác nhau: cửa thông cánh khuấy

gắn với motor, cửa nạp giống, cửa vào và ra cho không khí, cửa

nạp chất phá bọt, cửa nạp chất điều chỉnh pH… Cửa nạp môi

trường và tháo canh trường ra khỏi thiết bị được bố trí ở phần đáy

Còn có đầu dò pH, nhiệt độ, oxy… để theo dõi các giá trị

 Thông số công nghệ:

• Dung tích erlen: 1lits

• Dung tích thiết bị nhân giống: 1m3

• Nhiệt độ nuôi cấy: 28-320C

• pH= 6.9-7

• Thời gian nuôi cấy: 7-8 ngày

2 Chuẩn bị môi trường lên men:

6. Thiết bị trao đổi nhiệt – thu hồi

7. Thiết bị trao đổi nhiệt – thiết bị làm mát

8. Thiết bị lên men

dưỡng, bơm ly tâm, bộ đun nóng, bộ giữ nhiệt, bộ

thu hồi nhiệt, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống điều

chỉnh tự động các thông số của quá trình.

 Nguyên tắc hoạt động:

• Trước khi bắt đầu hoạt động tất cả các thiết bị, đường ống dẫn và phụ tùng YHC được thanh trùng bằng hơi quá nhiệt

• Hơi nước được đưa vào bộ đun nóng theo đường viền của van điều chỉnh tiêu hao hơi, sau đó vào bộ giữ nhiệt, thu hồi nhiệt

và theo đường viền của van giảm áp suất vào thiết bị làm mát

• Cùng lúc mở các van xả nước ngưng và khi đạt được nhiệt độ lớn hơn 1400C thì bắt đầu tiệt trùng

• Khi nhiệt độ và áp suất trong nồi phản ứng đạt trị số ổn định thì khuấy đảo các cấu tử của môi trường dinh dưỡng, môi trường mới lại cho vào thùng chứa để bơm đẩy qua khe đứng nhỏ vào bộ phận đun nóng

 Thông kê công nghệ:

3 Lên men:

 Mục đích: Khai thác: Làm tăng hàm lượng vitamin trong tế bào vi sinh vật

 Thiết bị lên men:

Ta sử dụng hệ thống gồm nhiều bình lên men nối tiếp Cấu tạo của bình lên men: cấu tạo tương tự như thiết bị nhân giống vi sinh vật Chúng cũng cũng có dạng hình trụ đứng, được chế tạo từ vật liệu thép không rỉ Bên trong thiết bị có hệ thống cánh khuấy và các đầu dò nhiệt độ, pH…để có thể theo dõi trực tiếp các thông số công nghệ trong quá trình lên men Motor cho cánh khuấy thường được đặt phía trên nắp thiết bị Còn cửa nạp và tháo môi trường được bố trí phía đáy Ngoài ra thiết bị còn có cửa quan sát, van lấy mẫu…

Thông số công nghệ của thiết bị lên men

- Thông khí bằng cách khuấy đảo liên tục

- Tốc độ thông khí: 0.5 lít/phút

- Lên men trong 6 - 8 ngày

- Nhiệt độ lên men 28 – 30oC

- Máy ly tâm tốc độ cao được sử dụng để tập trung vi khuẩn thành váng trên bề mặt, trong khi màng lọc được sử dụng để tách tế bào

 Thiết bị sử dụng: thiết bị ly tâm lọc.

Trên thành thùng quay của máy ly tâm lọc có đục lỗ và được bọc bằng các lớp lưới hoặc vải có kích thước lỗ phù hợp với tính chất sản phẩm Dưới i tác dụng của lực ly tâm pha lỏng bắn ra qua các lỗ, pha rắn nằm lại trên thành máy

- Tốc độ quay: 4000 vòng/phút

- Năng suất nhập liệu: 363 lít/ phút

- Công suất động cơ: 30KW

- Khối lượng thiết bị: 1.9 tấn

5 Acid hóa :

Vào lúc kết thúc quá trình thì coenzym B12 trong tế bào được giải phóng nhờ phương pháp acid hóa bằng cách bổ sung KCN mà được chuyển thành cyancobalamin tức là vitamin B12 thật sự

 Mục đích: Khai thác: Sau khi li tâm để thu tế bào vi sinh vật, ta sẽ tiến hành acid

hóa để giải phóng vitamin B12 là sản phẩm nội bào của vi sinh vật.

6 Hấp phụ :

Chất lỏng chứa vitamin B12 và tạp chất được tiếp xúc với 1 chất hấp phụ như

divinylbenzene/styrene copolymer resin ở nhiệt độ 10 - 300C, và vitamin B12 chỉ được hấp phụ bởi resin

 Mục đích:

Khai thác: làm tăng hàm lượng vitamin B12 bằng cách hấp phụ vitamin trên

divinylbenzene/styrene copolymer resin, tách vitamin khỏi tạp chất

 Các biến đổi:

Hóa lý: Vitamin B12 được hấp phụ bởi nhựa trao đổi ion cation , sẽ bền vững hơn,

đặc biệt có acid và chất bất lợi như acid ascorbic, kim loại…

- pH giảm trong quá trình hấp phụ đến vùng resin hoạt động hiệu quả

- Nhiệt độ khoảng 15 - 250C, có thể thấp hoặc cao hơn, 1 gam resin có thể hấp thu 1,5 gam vitamin B12

Hình 9 Ion exchange resin

Resin là acid polyacrylic hoặc acid polymethacrylic, mà trong đó có

những phân tử nối với nhóm divinyl thơm như là divinylbenzenne

Resin có tên thương mại là Amberlites

Vật lý: Sự hiện diện của muối vô cơ hòa tan trong quá trình hấp phụ

vitamin B12 bằng resin sẽ làm giảm một cách tích cực tỉ lệ hấp phụ

- Kích thước resin: 10-8 – 10-7 m, tối thiểu là 10-4m, diện tích bề mặt riêng: ít nhất là 200m2/g

- Một số loại resin: Amberlite XAD-2, DIAION HP-20, HP-21, HP-2 mG

Quá trình hấp phụ diễn ra ở nhiệt độ phòng, giá trị pH tối ưu và thời gian tối ưu tiếp xúc tiếp xúc với resin phụ thuộc vào chất lượng dung dịch chứa vitamin và hàm lượng tạp chất trong dung dịch

7 Giải hấp:

• Khai thác: tang hàm lượng vitamin B12, rửa resin

bằng dung dịch đệm pH thu hồi vitamin B12 và thu

hồi resin để tái sử dụng

• Thiết bị sử dụng: Ta sử dụng thiết bị hấp phụ kết

hợp giải hấp

Hình 10 Thiết bị giải hấp

8 Cô đặc:

– chuẩn bị cho quá trình kết tinh vitamin B12

– khai thác nhằm tăng nồng độ vitamin trong dung dịch

Thiết bị được sử dụng là: thiết bị cô đặc chân không.

Hình 11 Sơ đồ thiết bị cô đặc chân không

 Nguyên lí hoạt động

- Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0,7 at.

- Sau đó bơm dung dịch ban đầu từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm.

- Khi đã nhập liệu đủ nguyên liệu thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa) vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống chùm) và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hoàn qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần huần sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền nhiệt) Dung môi là nước bốc hơi và thốt ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt Hơi được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa Phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không

ngưng được bơm chân không hút ra ngoài Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngoài - Quá trình cứ tiếp tục đến

khi đạt nồng độ nhất định(sau thời gian cô đặc t phút) thì ngưng cấp hơi Mở van

 Ưu điểm:

- Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi.

- Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng.

- Thao tác dễ dàng.

- Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau.

- Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch.

- Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.

 Nhược điểm:

- Quá trình không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng

độ, thời gian.

- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác.

- Khó giữ được độ chân không trong thiết bị

9 Kết tinh :

- Khai thác: hàm lượng vitamin tang lên

- Hoàn thiện: độ tinh sạch của vitamin cao hơn

 Thiết bị: thiết bị kết tinh chân không

10 Ly tâm

• Chuẩn bị: chuẩn bị cho quá trình sấy tiếp theo

• Khai thác: tăng hàm lượng vitamin

• Hoàn thiện: độ tinh sạch của sản phẩm vitamin càng cao

Hình 13 Maý lọc ly tâm

• Tốc độ quay: 1000 vòng/phút

• Thời gian ly tâm: 6 phút

• Năng suất nhập liệu: 300 lít/phút

• Công suất động cơ: 30kw

• Khối lượng thiết bị: 1 tấn