SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Phương pháp thu hồi chitin phổ biến ở Việt Nam là hóa học, phương pháp này hiệu suất cũng cao nhưng kéo theo vần đề ô nhiễm môi trường. Bằng lối tư duy của môn sinh học và thực nghiệm một cách nghiêm túc mà tôi đã làm và tổng hợp được một số vấn đề. Rất mong sẽ giúp ích cho bạn đọc khi muốn tìm hiểu về thu hồi Chitin băng con đường sinh học (lên men vi sinh)!

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KHOA MÔI TRƯỜNG & CÔNG NGHỆ SINH HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC TP. Hồ Chí Minh, 2013 SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ i LỜI NÓI ĐẦU Như chúng ta đã biết và những cá nhân, tổ chức hoạt động về lĩnh vực khoa học kỹ thuật thì càng hiểu rõ hơn về chitin – chitosan, đây là một polysacharite tự nhiên và chiếm sản lượng rất lớn, chỉ sau cellulose. Bên cạnh đó là những ứng dụng tuyệt với của chitosan vừa hiệu quả vừa rất an toàn và đặc biệt là thân thiện với môi trường – một vấn đề rất được quan tâm trên thế giới hiện nay. Dù rằng chitin – chitosan có sản lượng lớn, ứng dụng hoàn hảo nhưng thiên nhiên vốn dĩ không ưu đãi con người quá nhiều, muốn có được chitin – chitosan thì cần phải có một quy trình xử lý hiệu quả, bắt nguồn từ đòi hỏi đó các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu tìm ra nhiều phương pháp có thể sản xuất được chitin – chitosan. Trong sản xuất chitin – chitosan bản chất chung của quá trình vẫn là khử các thành phần khoáng và hàm lượng protein còn dư thừa trong phế liệu vỏ tôm sẽ cho ra chitin. Vậy quá trình đó được thực thi ra sao? Dùng tác nhân nào để khử khoáng, loại protein để thu chitin và deacetyl hóa chitin thu sản phẩm chitosan. Với phương pháp hóa học người ta dùng tác nhân của hóa chất để xử lý, nhưng bên cạnh đó xuất hiện thêm nhiều vấn đề khác cần xử lý – nhược điểm của quy trình. Cải tiến hơn người ta nghĩ ra phương pháp hóa sinh, phương pháp này được đánh giá giảm thiểu phầm nào lượng hóa chất dùng trong quy trình, tuy nhiên đều đó cũng chưa giải quyết tận gốc được vấn đề, vẫn còn lượng hóa chất dùng trong quá trình deacetyl hóa chitin. Vì vậy nó vẫn còn ảnh hưỡng lớn tới môi trường sống, sức khỏe công nhân lao động, người tiêu dùng…Do đó phải làm sao để giải quyết các nhược điểm đó, nâng cao hiệu suất quá trình, giảm chi phí…không đâu khác hơn là phương pháp sinh học, chỉ có sinh học mới gần gủi và gắn liền với sự sống, sự tồn tại của muôn loài. Tuy nhiên nó chỉ mới được manh nha trong suy nghĩ và đang được nghiên cứu thử nghiệm ở một số phòng thí nghiệm. Trong chuyên đề này sẽ tổng quan hầu hết các phương pháp sản xuất chitin – chitosan bằng hóa học, hóa SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ ii sinh, để bạn đọc có thể khái quát kiến thức cơ bản về chitin – chitosan. Bên cạnh được sự cho phép của ban lãnh đạo khoa Môi Trường & Công Nghệ Sinh Học trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.hcm, đồng ý cho tôi làm việc tại phòng thí nghiệm của trường, địa chỉ 475A Điện Biên Phủ, phường 15, quận Bình Thạnh, Tp.hcm. Cùng với sự hướng dẫn tận tâm của giảng viên TS. Nguyễn Hoài Hương về việc thực hiện thử nghiệm sản xuất chitin – chitosan từ phế phẩm thủy sản vỏ tôm sú, nhóm thực hiện chuyên đề chân thành biết ơn vì điều này. SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU . 1 MỤC LỤC iii DANH SÁCH HÌNH . v DANH SÁCH BẢNG vi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN - CHITOSAN 7 1.1. Giới thiệu 7 1.1.1. Chitin 7 1.1.2. Chitosan 8 1.2. Nguồn gốc thu nhận . 10 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . 10 1.3.1. Chitin 10 1.3.1.1. Tình hình sản xuất và nghiên cứu trong nước . 10 1.3.1.2. Tình hình sản xuất và nghiên cứu ngoài nước . 11 1.3.2. Chitosan 12 1.3.2.1. Tình hình sản xuất và nghiên cứu trong nước . 13 1.3.2.2. Tình hình sản xuất và nghiên cứu ngoài nước . 13 1.4. Cấu trúc hóa học 13 1.4.1. Cấu trúc hóa học của chitin 13 1.4.2. Cấu trúc hóa học của chitosan 15 1.5. Tính chất hóa lý sinh học 16 1.5.1. Tính chất lý hóa . 16 1.5.2. Tính chất sinh học . 17 1.5.2.1. Chitin 17 1.5.2.2. Chitosan . 18 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN . 21 2.1. Phương pháp hóa học 21 2.1.1. Sơ lược về phương pháp 21 2.1.2. Quy trình kỹ thuật 21 SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ iv 2.1.3. Thuyết minh quy trình . 22 2.1.4. Ưu nhược điểm 24 2.1.4.1. Ưu điểm 24 2.1.4.2. Nhược điểm 24 2.2. Phương pháp hóa sinh kết hợp . 25 2.2.1. Sơ lược về phương pháp 25 2.2.2. Quy trình kỹ thuật 25 2.2.3. Thuyết minh quy trình . 26 2.2.4. Ưu nhược điểm 27 2.2.4.1. Ưu điểm 27 2.2.4.2. Nhược điểm 27 2.3. Phương pháp sinh học . 28 2.3.1. Sơ lựoc về phương pháp 28 2.3.2. Quy trình kỹ thuật 29 2.3.3. Thuyết minh quy trình . 30 2.3.4. Thiết bị 35 2.3.5. Ưu điểm 37 2.3.6. Nhược điểm 38 CHƯƠNG 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 40 3.1. Kết luận 40 Tài liệu tham khảo: . 42 HẾT 44 SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ v DANH SÁCH HÌNH Hình 1. 1 Deacetyl hóa chintin thành chitosan . 10 Hình 1. 2 Cấu trúc hóa học N-acetyl-D-glucosamine liên kết với nhau bằng cầu nối β (1-4) glucoside . 14 Hình 1. 3 Cấu trúc hóa học chitin . 14 Hình 1. 4 cấu trúc chitosan . 16 Hình 2. 1 Quá trình deacetyl hóa bằng phương pháp hóa học 24 Hình 2. 2 Nồi lên men được sử dụng trong quy trình sản xuất . 36 Hình 2. 3 nắp nồi và các chi tiết thiết bị . 37 Hình 2. 4 Bộ điều khiển . 37 SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ vi DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. 1 Thành phần chitin của một số phế liệu thủy sản: 8 Bảng 2. 1 Công thức phối trộn nguyên liệu lên men 32 SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN - CHITOSAN 1.1. Giới thiệu 1.1.1. Chitin - Chitin – chitosan là một polysacharite tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn (đứng thứ hai sau cellulose). Chitin lần đầu tiên được tìm thấy trong nấm bởi nhà khoa học người Pháp Braconnot vào năm 1811, năm 1823, Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin hay “chiton”, tiếng Hy lạp có nghĩa là vỏ giáp, nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong đó. Cuối cùng cả Odier và Braconnot đều đi đến kết luận chitin có dạng công thức giống với cellulose. Ngày nay chitin được phát hiện ở cả động vật và thực vật. - Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn. Trong động vật bậc cao monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô da nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da, đặc biệt trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin chiếm khá cao dao động từ 14 – 35% so với trọng lượng khô, đặc biệt là tôm. Theo ước tính của Tổ chức Nông Lương Thế Giới (FAO) sản lượng tôm nuôi trồng trên thế giới năm 2011 là 2.934.168 tấn, riêng ở Việt Nam 403.600 tấn… Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin. Còn trong thực vật chitin có ở thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo… - Về đặc tính sinh học và cấu trúc hóa học chitin là polysacharite có đạm không độc, có khối lượng phân tử lớn.[13]  Phân bố - Chitin hiện diện ở thực vật bậc thấp. Trong thế giới thực vật, chitin chỉ giới hạn ở loài nấm, tảo lục, địa y, noãn khuẩn. - Ở tôm, chitin hiện diện ở dạng kết hợp với các thành phần khác (khoáng). SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ 8 - Chitin cũng hiện diện ở động vật bậc thấp. Chitin là thành phần cấu tạo nên xương hữu cơ chính ở động vật không xương sống (trùng đốt, tiết túc, nhuyễn thể, côn trùng). Đối với ngành tiết túc chitin chỉ là một trong những thành phần cấu tạo của bộ xương ngoài. Trong thiên nhiên, dạng chitin nguyên chất chỉ tồn tại trong nang của loài mực ống Logigo. - Ở thủy sản, chitin tồn tại rất nhiều, đặc biệt là vỏ tôm, cua, ghẹ, nang mực, .hàm lượng cao. Vì vậy, phần lớn chitin được chiết xuất từ vỏ của các loài giáp xác nhất là vỏ tôm, kế đó là vỏ cua, ghẹ. Ở vỏ tôm cũng như vỏ cua, chitin tạo phức hệ với protein và thường chứa thêm một tỉ lệ lớn CaCO 3 . - Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể. Trong tự nhiên hiếm thấy chitin tồn tại ở dạng tự do, nó liên kết dưới dạng phức hợp chitin với protein, chitin với các hợp chất vô cơ, .Khi tồn tại như thế, chitin có khả năng đề kháng đối với các chất thủy phân hóa học và enzyme, gây khó khăn cho việc tinh chế, tách chiết. Tùy thuộc vào đặc tính cơ thể và sự thay đổi từng giai đoạn sinh lý mà trong cùng một loài, người ta có thể thấy có sự thay đổi về lượng và chất chitin. - Mặc dù gặp rất nhiều khó khăn trong việc chiết tách chitin nhưng người ta đã khẳng định về sự hiện diện của chitin ở thực vật lẫn động vật dựa vào phép đo quang học, phân tích bằng tia X và phân cắt bởi enzyme hay phản ứng hoá học.[1] Bảng 1. 1 Thành phần chitin của một số phế liệu thủy sản: Phế liệu Thành phần chitin (%) Vỏ hến 0,4 Vỏ ốc 1,24 Vỏ cua đồng 23,8 Vỏ tôm đồng 30,0 Vỏ tôm biển 33,1 1.1.2. Chitosan SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ 9 - Chitosan là một polysaccharide tuyến tính. Loại chitosan thương mại có MW từ 100.000 đến 1.000.000 Da và thường mang một trong ba trạng thái : vô định hình, bán tinh thể, tinh thể. Các dạng vi tinh thể của chitosan (MW: 10.000 – 300000 Da) có khả năng hấp thụ lớn như một gel phân tán hay dạng bột mịn tạo ra phân tử chitosan có cấu trúc và kích thước cụ thể. Các nhóm amin của chitosan có pKa ~ 6.5 chúng mang điện và tan trong môi trường acid. Chitosan rất độc đáo nó là polime hữu cơ tự nhiên duy nhất mang điện tích dương do có những nhóm amino tự do tích điện dương không tan trong nước, vì vậy chúng tương tác được với phân tử mang điện tích âm như acid béo, acid mật, phospholipid, protein và polysaccharide, chính điều này tạo cho chitosan những thuộc tính đặc biệt nhất và đáng kinh ngạc. Muối của chitosan có thể tan trong nước phụ thuộc vào pH, nhiệt độ của quá trình acetyl hóa.[1] - Do một số đặc tính vốn có, là hợp chất tự nhiên, không độc, có thể bị phân hủy, có khả năng tương tác với nhiều phân tử sinh học nên được ứng dụng rộng rãi trong thực tế trong nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, hóa học, công nghệ sinh học, công nghiệp giấy, mỹ phẩm, xử lí nước, bảo quản thực phẩm, phụ gia thực phẩm, dược phẩm… - Chitosan được sản xuất bằng cách khử acetyl (deacetylation – DD) của chitin, mức độ deacetylation (% DD) có thể được xác định bằng phổ NMR, và DD% trong chitosans thương mại là trong khoảng 6 – 10%. Chất được khử acetyl từ chitin đã được khám phá bởi Roughet vào năm 1859, sản phẩm khử acetyl chitin được đặt tên là chitosan bởi nhà khoa học người Ðức Hoppe Seyler vào năm 1894. . này sẽ tổng quan hầu hết các phương pháp sản xuất chitin – chitosan bằng hóa học, hóa SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN LÝ TẤN PHÚ ii sinh, để bạn đọc có thể khái. ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KHOA MÔI TRƯỜNG & CÔNG NGHỆ SINH HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH