Đề tài quy trình lên men acid citric từ aspergillus niger

Danh ách bảng Bảng 1: Thành phần môi trường sử dụng trong ph ng thí nghiệm và trong sản xuất acid citric bằng nấm mốc Aspergillus niger... Acid citric là một trong những loại acid hữu cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NÔNG NGHIỆP & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

NHÓM 6 LỚP DH11SH

QUY TRÌNH LÊN MEN ACID CITRIC TỪ

Aspergillus niger

SEMINAR MÔN CÔNG NGHỆ LÊN MEN

Khóa học: 2010 - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NÔNG NGHIỆP & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

NHÓM 6 LỚP DH11SH

QUY TRÌNH LÊN MEN ACID CITRIC TỪ

1 Nguyễn Hoàng Nhựt Lynh

2 Bung San Ny Thanh Hồng Anh

3 Hoàng Nguyễn Trung Nghĩa

4 Nguyễn Viết Thanh

5 Lê Hoàng Yên

Mục lục

Mục lục i

Danh sách hình iii

Danh sách bảng iv

Chương 1 Đặt vấn đề 1

Chương 2 Tổng quan về acid citric 2

2.1 Khái quát 2

2.2 Tên gọi 3

2.3 Tính Chất 3

Chương 3 Tổng quan về công nghệ sản xuất acid citric 4

3.1 Yêu cầu đối với nguyên liệu lên men acid citric 4

3.2 Một số nguyên liệu gluxit 4

3.2.1 Mật rỉ 4

3.2.2 Tinh bột sắn 5

3.2.3 Ngô 5

3.3.3 Phân tích chọn nguyên liệu thích hợp cho việc sản xuất acid citric 5

3.3 Vi sinh vật 5

3.4 Cơ sở lý thuyết và cơ chế hình thành acid nitrit 6

3.4.1 Cơ sở lý thuyết của quy trình lêm men acid citrit 6

3.4.2 Cơ chế hình thành acid citric 6

3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất acid citric 6

3.5.1 Vi sinh vật 6

3.5.2 Nguyên liệu 6

3.5.3 Môi trường dinh dưỡng 7

3.5.4 pH môi trường 7

3.6.2 Môi trường lên men 7

3.6.3 ự thoáng khí 7

3.6.4 nh hưởng của nhiệt độ 8

3.6.5 Thời gian lên men 8

Chương Công nghệ ản ấ ac c c 9

4.1 Công nghệ sản uất acid citric 9

4.1.1 Nuôi cấy nấm mốc nuôi cấy trong ph ng thí nghiệm và nhân giống trong sản uất 9

4.1.2 Chu n bị dịch lên men 9

4.1.3 Lên men 9

4.1.4 Tách nấm mốc 10

4.1.5 Tạo can i citrat 10

4.1.6 Tách can i citrat 10

4.1 ấy dung dịch acid citric trong thiết bị sấy chân không 11

4.1 Kết tinh và sấy khô acid citric 11

4.2 Sản xuất acid citric bằng nấm mốc Aspergillus niger 11

4.2.1 Môi trường lên men 11

4.2.3 Quá trình lên men 12

4.2.4 Thu hồi và tinh chế acid citric 12

Chương 5 Ứng dụng của acid citric trong thực phẩm và công ngh ệp 15

5.1 Trong thực ph m 15

5.2 Trong công nghiệp 15

Chương 6 Kết luận và k ến nghị 16

5.1 Kết luận 16

5.2 Kiến nghị 16

Danh ách hình

Hình 1: Một số sản ph m ch a acid citric 2

Hình 2: Công th c cấu tạo của acid citric 3

Hình 3: Một số loại trái cây rất giàu hàm lượng acid citric cần dùng cho lên men 4

Hình 4: Aspergilus niger 11

Hình 5: Tinh thể acid citric 13

Hình 6: ơ đồ quy trình sản xuất acid citric bằng nấm Aspergillus niger 14

Danh ách bảng

Bảng 1: Thành phần môi trường sử dụng trong ph ng thí nghiệm và trong sản

xuất acid citric bằng nấm mốc Aspergillus niger 11

Chương 1 Đặt vấn đề

Được xem là một chất bảo quản tự nhiên và cũng như được sử dụng để bổ sung vị chua cho thực ph m hay các loại nước ngọt Acid citric là một trong những loại acid hữu cơ có nhiều ng dụng gần gủi trong đời sống và bên đó là

ng dụng khá nhiều của acid citric trong công nghiệp

Trong sinh hoá, là tác nhân trung gian quan trọng trong chu trình acid citric và

vì thế xuất hiện trong trao đổi chất của gần như mọi sinh vật, được coi là tác nhân làm sạch tốt về mặt môi trường và đóng vai tr của chất chống ô i hóa, các lượng acid citric dư thừa dễ dàng trao đổi và bài tiết ra khỏi cơ thể

Chính vì tầm quan trọng và có nhiều ng dụng của acid citric như thế nên chúng ta tiến hành tìm hiểu quá trình lên men acid citric từ nấm mốc

Aspergillus niger từ các nguồn nguyên liệu rẻ tiền như mật rỉ, tinh bột sắn,

ngô,… thu hồi acid citric nhiều hơn và hạn chế sử dụng các loại hoá chất tổng hợp hoá học gây hại trong thực ph m cho con người

Chương 2 Tổng quan về acid citric

2.1 Khá q á

Acid citric là một acid hữu cơ phổ biến trong thực vật nó có nhiều trong nước chanh 6% , nước lựu (9%), trong quả cam, quýt, d a, dâu tây,… Acid citric được dùng nhiều trong công nghiệp thực ph m làm nước giải khát, bánh kẹo,

đồ hộp, trong y dược, dệt, nhuộm, nghề ảnh, nghề in

Hình 1: Một số sản phẩm chứa acid citric

Acid citric có công th c chung là C6H8O7 Acid citric là sản ph m kết tinh trong suốt, không màu hoặc ở thể rắn dạng viên màu trắng; điểm nóng chảy

1530C, tỷ trọng 1.542; ở 1000C bị dung giải; ở trong 1500C bị bay hơi thành acid citric khan

2.2 Tên gọi

Tên theo IUPAC: Axit 2-hydroxypropan-1,2,3-tricacboxylic

Tên thông thường: Axit chanh

Công th c phân tử: C 6 H 8 O 7

Khối lượng phân tử: 192.13 g/mol

Có dạng: Tinh thể mà ắng

Nhiệt độ nóng chảy: 153 0 C

Nhiệt độ sôi: 175 o C (phân hủy)

Hình 2: Công thức cấu tạo của acid citric

(Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid)

2.3 Tính Chất

Tính acid của a it citric là do ảnh hưởng của nhóm carbo yl - COOH, mỗi nhóm carbo yl có thể cho đi một proton để tạo thành ion 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 kết hợp với các ion kim loại để tạo thành muối, phổ biến nhất là muối can i citrat dùng làm chất bảo quản và giữ vị cho thực ph m Bên cạnh

đó ion citrat có thể kết hợp với các ion kim loại tạo thành các ph c dùng làm chất bảo quản và làm mềm nước

Ở nhiệt độ ph ng thì acid citric tồn tại ở dạng tinh thể màu trắng dạng bột hoặc ở dạng khan hay là dạng monohydrat có ch a một phân tử nước trong mỗi phân tử của acid citric Dạng khan thu được khi acid citric kết tinh trong nước nóng, trái lại dạng monohydrat lại kết tinh trong nước lạnh Ở nhiệt độ trên 40C dạng monohydrat sẽ chuyển sang dạng khan

Về mặt hóa học thì acid citric cũng có tính chất tương tự như các acid carbo ylic khác Khi nhiệt độ trên 1 50C thì nó phân hủy tạo thành CO2 và

Chương 3 Tổng quan về công nghệ sản xuất acid citric

Trước kia acid citric chỉ được sản xuất từ chanh, nhưng giá thành cao, hiệu suất thu hồi thấp Hiện nay người ta dùng phương pháp o y hoá glu it để tạo thành acid citric nhờ nấm mốc, hơn 90% acid citric được sản xuất theo phương pháp lên men

Hình 3: Một số loạ á cây ấ g à hàm lượng acid citric

cần ùng cho lên men

3.1 Yê cầ đối vớ ng yên l ệ lên men ac c c

Nguyên liệu phải đảm bảo đủ lượng đường cho vi sinh vật phát triển

Giống vi sinh vật dùng trong sản xuất acid citric phải đảm bảo các yêu cầu sau:

 Có khả n ng tạo acid citric rất mạnh

 Có khả n ng chịu được môi trường acid khi lượng acid citric t ng cao

 Ít tạo ra những acid hữu cơ khác như: acid o alic, acid gluconic, acid

3.2.2 Tinh bột sắn

Độc tố trong sắn có tên chung là Phazeolunatin ch a nhiều trong sắn đắng, chủ yếu ở vỏ và cùi, hàm lượng của Phazeolunatin vào khoảng 0,001 - 0,04% Phazeolunatin không độc nhưng khi bị thủy phân thì các glucozit này sẽ giải phóng HCN, là một chất gây độc cho cơ thể Tuy nhiên dễ bay hơi và dễ h a tan trong nước lạnh hay nước vơi nên dễ loại bỏ

Sắn thái lát, phơi khô giảm đáng kể số lượng HCN

3.2.3 Ngô

Hạt ngô gồm hai phần chính: Phôi và nội nhũ Phôi chiếm 10 - 13% trọng lượng hạt, nội nhũ chiếm 83 - 85%, vỏ chiếm 2 - 5%

3.3.3 Phân ích chọn ng yên l ệu hích hợp cho việc sản xuất acid citric

Hàm lượng glu it có trong ngô là cao nhất (67,9%), tiếp đến là mật rỉ, khoai lang, sắn, và cuối cùng là khoai tây Tuy nhiên bản chất của lên men citric là quá trình o y hóa đường thành acid citric dưới tác dụng của vi sinh vật mà trong các nguyên liệu tinh bột (ngô, sắn, khoai,…) muốn sản xuất ra acid citric cần phải trải qua giai đoạn thủy phân tinh bột thành đường, từ đường dưới tác dụng của vi sinh vật tạo thành acid citric rất mất nhiều thời gian và chi phí, trong khi đó mật rỉ thành phần hóa học chủ yếu là đường vi sinh vật sẽ trực tiếp sử dụng đường để tạo thành acid citric

Mặt khác mật rỉ là nguyên liệu rẻ tiền dễ kiếm do đó mật rỉ là nguyên liệu được sử dụng nhiều hơn trong việc sản xuất acid citric, tuy nhiên cần xử lí mật

rỉ trước khi sử dụng vì trong mật rỉ ch a chất màu, hệ keo, đặc biệt là kim loại nặng ảnh hưởng đến quá trình lên men, c chế vi sinh vật phát triển

3.3 Vi sinh vật

Aspergillus niger là một loại nấm sợi và là một trong những loài phổ biến nhất

của các chi Aspergillus có nhiều ng dụng trong công nghệ sinh học, nhiệt độ

tối ưu ở 35 - 370C, pH từ 1,4 - 9, Nó gây ra một c n bệnh được gọi là nấm mốc đen trên một số loại trái cây và rau quả như nho, hành tây, đậu phộng, và

là một chất gây ô nhiễm phổ biến của thực ph m

Aspergillus niger là vi sinh vật hiếu khí phát triển trên các chất hữu cơ, do đó

nó có thể được tìm thấy gần như ở khắp mọi nơi trong môi trường có ch a đất Ngoài ra, nó được tìm thấy trong chất thải, nguyên liệu thực vật phân hủy và phân hữu cơ trong môi trường ngoài trời Môi trường m trong nhà tạo ra một môi trường sống tốt cho sự phát triển của nấm mốc Chẳng hạn như trong các

3.4 Cơ ở lý h yết và cơ chế hình hành ac n

3 .1 Cơ ở lý h yết của q y ình lêm men ac c

Trong quá trình này glucose được chuyển hoá thành a it pyruvic theo con đường EMP (Embden-Mayerhof-Parnas , sau đó a it pyruvic tiếp tục chuyển hoá thành a it citric Phương trình tổng quát của quá trình này như sau:

2C 6 H 12 O 6 + 3O 2 → 6C 6 H 8 O 7 + 4H 2 O

Glucose Acid citric

Các loại vi sinh vật để sản xuất acid citric: Aspergillus niger, Aspergillus

clavarus, Penicillium citrinum, Mucor piriformis và những loài Mucor khác

Những chủng Aspergillus cho kết quả cao nhất

3.4.2 Cơ chế hình hành ac c c

Phương trình chung của quá trình chuyển hoá đường thành acid citric là:

2C 6 H 12 O 6 + 3O 2 → 2C 6 H 8 O 7 + 4H 2 O

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

Đường C6H12O6 thuỷ phần thành acid pyruvic CH3COCOOH)

CH3COCOOH + CO2 → HOOCCH2COCOOH Acid oxaloacetic

HOOCCH2COCOOH + CH3COOH → CH2COOHCOHCOOHCH2COOH

o alic, acid gluconic, acid fumaric vì nếu các acid này hình thành nhiều sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng của acid citric

3.5.2 Ng yên l ệu

không lẫn nhiều tạp, chất kim loại nặng đặc biệt là sắt nếu hàm lương sắt quá giới hạn thì cần phải loại bỏ

3.5.3 Mô ường nh ưỡng

Nấm mốc cần đường, tinh bột và các muối vô cơ Trong điều kiện thường nấm mốc chỉ phát triển sinh khối tạo ra rất ít a it citric Trong trường hợp môi trường nhiều cabon và ít nitơ lượng đường 4 - 20%, nitơ 0,0 %, ngoài ra c n

bổ sung thêm nguyên tố khoáng như P, Fe, Zn… thì quá trình tổng hợp axit citric xảy ra mạnh

3.5.4 pH mô ường

pH thích hợp để tạo thành a it citric từ 3 - 4, tùy thuộc vào chủng nấm mốc sử dụng Ta có thể a it hoá môi trường bằng HCl, pH môi trường phụ thuộc vào nguồn nitơ Nếu sử dụng NH4NO3 thì pH thích hợp là 3, nếu sử dụng NH4Cl thì pH thích hợp là 4 Trong quá trình lên men do sự tạo thành a it citric nên

pH giảm mạnh, vì vậy cần phải điều chỉnh pH của môi trường cho thích hợp

3.5.5 Sự hoáng khí

Quá trình o i hoá cần một lượng lớn o y, vì vậy cần phải cung cấp không khí cho quá trình lên men bằng cách thông thoáng khí môi trường Ngoài ra sự thông thoáng khí c n giảm lượng khí cacbonic trong môi trường

3.6 Các yếu tố quyế định đến q á ình ản xuất acid citric

3.6.1 Mô ường hức n

Bao gồm đường, các hợp chất hữu cơ, vô cơ Để nuôi cấy Aspergillus niger sử

dụng môi trường có thành phần g l : accaroza - 140; NH4NO3 - 2,23;

KH2PO4 - 1; MgSO4.7H2O - 0,23

3.6.2 Mô ường lên men

Nước 1000 ml đường 150 g NH4Cl 1,9 g và bổ sung Zn O4 làm t ng khả

n ng tích lũy acid citric

pH của môi trường:

3.6.3 Sự hoáng khí

3.6.4 nh hưởng của nh ệ độ

Nhiệt độ thích hợp khoảng 31 - 370C inh khối nấm mốc phát triển mạnh ở

34 - 370C Để tạo ra nhiều acid cần duy trì nhiệt độ 31 - 320C Nhiệt độ thấp hơn thì tích lũy nhiều acid gluconic Nhiệt độ cao hơn thì việc tạo acid citric bị kìm h m

Thời gian nuôi cấy từ đến 10 ngày

Trong thực tế sản xuất người ta thường thổi không khí vô trùng vào dịch lên men

Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men tạo a it citric là 31 – 370C Thấp hơn thì tạo a it gluconic, cao hơn thì việc tạo axit citric bị kìm h m Thời gian lên men khoảng 7 – 10 ngày

10 ngày Trong quá trình lên men trạng thái rắn thời gian lên men phụ thuộc mạnh mẽ vào chất tiêm chủng được sử dụng, độ m bề mặt, độ pH ban đầu, nhiệt độ và lượng mẫu trong môi trường ví dụ, vỏ hạt carob hoặc sung) Trong trường hợp này, nồng độ tối đa acid citric đạt được từ trong khoảng 10 đến 15 ngày

Chương Công nghệ ản ấ acid citric

ản uất acid citric có thể thực hiện theo phương pháp bề mặt hoặc cấy chìm Trong phương pháp nổi bề mặt mốc tạo thành màng nổi trên môi trường th c n; Trong phương pháp chìm cấy sâu mốc tạo thành sợi nằm trong toàn bộ môi trường lỏng Phương pháp chìm có nhiều ưu việc hơn phương pháp nổi, cho phép t ng n ng suất Hiện nay nuôi cấy chủ yếu bằng phương pháp chìm

vì các công đoạn đều được thanh trùng, tạo được chế độ công nghệ bền vững, rút ngắn được thời gian lên men, dễ tự động hóa, giảm được lao động nặng nhọc

4.1 Công nghệ ản ấ acid citric

4.1.1 N ô cấy nấm mốc (n ô cấy ong ph ng hí ngh ệm và nhân g ống ong ản ấ

Chu n bị dung dịch rỉ đường 3 - 4% trong thùng nuôi cấy ở nhiệt độ

35 - 380C Bổ sung dung dịch các chất dinh dưỡng vào thùng nuôi cấy Chuyển men giống từ ph ng thí nghiệm vào theo tỷ lệ 3 gam bào tử khô 2 - 3 lít dung dịch rỉ đường au đó mở cánh khuấy và cung cấp không khí vô trùng nạp không khí và đảo trộn suốt quá trình nhân giống Duy trì áp suất trong thùng 0,1 - 0,2 at, t0

= 34 – 350C và thời gian 2 - 36 h Thời k đầu cho o y vào với lượng 9 - 10 m3 h, thời k cuối 24 - 30 h là 90 - 100 m3

/h

4.1.2 Ch ẩn bị ịch lên men

Trước hết phải dùng hơi cao áp để tiệt trùng thiết bị và đường ống

ỉ đường được pha thành hai loại nồng độ: nồng độ 3 - 4% để nuôi cấy mốc giống và lên men ban đầu Nồng độ 25 - 2 % để bổ sung trong quá trình lên men

Để pha chế dịch lên men, dùng nước vô trùng trộn với dung dịch các muối dinh dưỡng và rỉ đường rồi khuấy đều

Môi trường 3 - 4% được pha chế trong thiết bị lên men au đó cho mốc giống

từ thiết bị nuôi cấy vào và tiếp tục khuấy trộn trong 30 phút

4.1.3 Lên men

Trong quá trình lên men, lượng đường giảm nhanh, để bù lại dùng dung dịch rỉ

có nồng độ 25 - 2 % để bổ sung gián đoạn vào thiết bị lên men

Thời k đầu giữ ở 33 - 340C, khi tạo acid mạnh thì giữ ở nhiệt độ 31 - 320

C

4.1 Tách nấm mốc

Kết thúc quá trình lên men bằng cách kiểm tra mẫu Nếu hai mẫu kiểm tra cách nhau 4 - 6 h 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 - 650C và chuyển vào thùng trung gian để tách nấm mốc Nấm mốc được tách trên máy lọc chân không

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

Dùng thiết bị lọc chân không tách các chất kết tủa can i citrat và can i o alat rồi đem sấy khô