Quy trình công nghệ sản xuất axit citric sử dụng vi sinh vật, Quy trình công nghệ sản xuất axit citric sử dụng vi sinh vật, Quy trình công nghệ sản xuất axit citric sử dụng vi sinh vật
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID CITRIC ******* I Mở đầu: Acid hữu sử dụng nhiều công nghiệp thực phẩm Các acid sau xêp theo thứ tự giảm dần tầm quan trọng, acid citric, acetic, lactic, tarric, malic, gluconic, propionic fumaric Acid hữu sử dụng nhiều công nghiệp thực phẩm công nghệ đồ uống đặc tính độ hịa tan cao, hiếu nước, khả trì pH, khả liên kết với ion hóa trị cao Acid hữu sản xuất phương pháp hóa học, sinh học (lên men sử dụng enzyme),tách chiết từ phụ phẩm sau lên men rượu… Trong acid citric có phổ ứng dụng lớn báo cáo trình bày cơng nghệ sản xuất acid citric phương pháp lên men vi sinh vật II Giới thiệu: Acid citric: Acid citric (acid 2-hydroxy-1,2,3-propane-tricarboxylic: C 6H8O7) phổ biến sản phẩm thiên nhiên chanh, mâm xôi Acid thương phẩm thường cung cấp dạng ngậm nước (phân tử lượng 210, tỷ trọng 1,542 20oC) Đây acid mạnh với nhóm −COOH hệ số phân ly tương ứng K1 =7,45.10-4; K2 =1,73.10-5; K3 =4,02.10-7 Nhiệt độ sôi phân hủy 175oC Nhiệt độ nóng chảy 153oC (307,4oF o73 426K) Khối lượng riêng 1665 kg/m3 pKa1=3,15; pKa2=4,77; pJa3=6,40 ở nhiệt độ phong acid citric tồn dạng tinh thể màu trắng dạng bột dạng khan dạng monohydrate có chứa phân tử nước phân tử acid citric Dạng khan thu acid kết tinh tong nước nóng, trái lại dạng monohydrate lại kết tinh nước lạnh Ở nhiệt độ 74 oC dạng monohydrate chuyển sang dạng khan Acid citric tan nước tạo vị chua dễ chịu Acid citric lần tinh chế vào năm 1784 Scheele phương pahp1 kết tủa citrat calci vào nươc chanh Trước năm 1920, acid citic sản xuất chủ yếu Sicily từ chanh cơng ty Arenella (Palermo) độc quyền kĩnh vực công nghệ lên men tạo acid citric thực Bỉ, năm 1919 Mỹ, năm 1923 1.1 Công thức cấu tạo Công thức cấu tao theo không gian Citric acid crystal under polarized light, enlarged 200x 1.2 Chu trình acid citric Các chu kỳ acid citric bắt đầu với ACETYL-CoA chuyển giao nhóm ACETYL hai carbon thành hợp chất tiếp nhận có bốn carbon (oxaloacetate) để tạo thành hợp chất sáu carbon (citrate).Các citrate sau qua loạt phản ứng chuyển đổi hóa học, carbon đầu tiên, sau nhóm carboxyl thứ hai CO2 Các carbons CO2 bắt nguồn từ oxaloacetate, không trực tiếp từ ACETYL-CoA Các carbons ACETYLCoA trở thành phần mạch carbon oxaloacetate sau trở lai chu trình acid citric Các carbons từ ACETYL-CoA CO đòi hỏi nhiều lần lặp lại chu trình acid citric Tuy nhiên, vai trị acid citric chu trình đồng hóa, chúng khơng thể bị qua nhiều chu trình tricarboxylic acid (TCA) trung gian sử dụng dự báo cho biến đổi sinh học phân tử Hầu hết nguồn lực thực bước oxi hóa chu trình chuyển giao lượng-giàu electron thành Nad +, tạo NADH Cứ ACETYL vào chu trình acid citric có ba phân tử NADH sản xuất Electron chuyển giao cho electron nhận, tạo QH Ở cuối chu kỳ, oxaloacetate bốn carbon tái tạo chu kỳ tiếp tục hình 1.1: chu trình acid citric 1.3 Ứng dụng Với vai trị chất phụ gia thực phẩm, acid citric dùng làm gia vị, chất bảo quản thực phẩm đồ uống, đặc biệt nước giải khát(không gaz) kẹo, mang mã số E330 (5) Muối Citrate nhiều kim loại dùng để vận chuyển khoáng chất thành phần chất ăn kiêng vào thể Tính chất đệm phức Citrate dùng để hiệu chỉnh độ pH chất tẩy rửa dược phẩm Citric acid có khả tạo phức với nhiều kim loại có tác dụng tích cực xà phịng chất tẩy rửa Bằng cách phức hóa kim loại nước cứng, phức cho phép chất tẩy rửa tạo nhiều bọt tẩy mà không cần làm mềm nước trước Bên cạnh acid citric cịn dùng để sản xuất chất trao đổi ion dùng để làm mềm nước cách tách ion kim loại khỏi phức citrate Acid citric dùng công nghệ sinh học công nghiệp dược phẩm để làm ống dẫn thay phải dùng acid nitric Ở Anh, acid citric dùng làm chất đệm heroin nâu dễ hòa tan Một túi acid citric loại nhỏ dùng để ép người nghiện thay kim tiêm bẩn nhằm hạn chế lây nhiễm AIDS bệnh viêm gan Các acid khác dùng để hòa tan heroin nâu ascobbic, axetic acid lactic, trường hợp thiếu thuốc nghiện tiêm nước chanh vắt hay dấm Citric acid hóa chất cần thiết cho q trình tổng hợp Hexametylen triperoxit diamin (HMDT) chất dễ phát nổ giống Axeton peroxit, nhạy với nhiệt ma sát Ở số nước bạn mua số lượng lớn acid citric bạn bị liệt kê vào sổ đen âm mưu khủng bố Acid citric cho vào thành phần kem để giữ giọt chất béo tách biệt Ngồi thêm vào nước ép chanh tươi Aspergillus niger: − Aspergillus thuộc nhóm nấm bất tồn (Deuteromycetes hay Fungi Imperfecti), có cuống đính bào tử có đầu phình Nhóm nấm bất tồn nấm sinh sản vơ tính bào tử bụi mang giá bào tử có hình dạng khác xếp thành chuổi (đính bào tử) đầu có cuống bào tử Nấm Aspergillus cịn gọi mốc tương Sợi nấm có vách ngăn, cuống mang bào tử bụi phồng lên Các chuổi bào tử bụi từ đầu phồng mọc tỏa khắp hướng Bào tử bụi màu vàng (Aspergillus flavus), màu đen (Aspergillus niger) Nấm Aspergillus oryzae lồi mốc q trình chế tạo tương tương Aspergillus oryzae lên men ngon tương khác loại mốc có khả biến đổi tinh bột gạo nếp thành đường làm cho tương có vị Hai lồi khơng độc làm tương Aspergillus oryzae Aspergillus sojae có hình thái màu sắc giống với loài nguy hiểm Aspergillus flavus Aspergillus parasiticus sản sinh độc tố Aflatoxin gây bệnh ung thư −Aspergillus có bào tử có mặt trong khơng khí chúng ta hít thở, nhưng bình thường khơng gây bệnh. Tuy nhiên riêng trường hợp tình trạng miễn dịch suy giảm có thể rất nhạy cảm lây nhiễm Aspergillus −Aspergillus Niger loại nấm mốc thuộc genus Aspergillus bao gồm nấm thường sinh sản vơ tính, hình thức hồn hảo (các hình thức chép hữu tính) tìm thấy Aspergilli khắp nơi tự nhiên Chúng phân phối rộng rãi quan sát phạm vi rộng lớn mơi trường sống chúng sử dụng nhiều chất khác A niger thường tìm thấy vi sinh vật hoại sinh phát triển chết, hạt bảo quản, phân, thực vật phân hủy khác Những bào phát triển rộng rãi thường kết hợp với chất hữu đất −Một số hình ảnh Apergillus niger: III Sinh tổng hợp acid citric Acid citric tổng hợp số loại vi nấm (Penicillium spp., Aspergillus niger, A wentii, Trichoderma viride), nấm men (Yarrowia lipolytica, Canndida guilliermondii) vi khuẩn (Arthrobacter) môi trường khác (glucose, sucrose, n-alkanes) Ở quy mô công nghiệp, acid citric sản xuất từ đường (glucose, sucrose) sử dụng nấm A.niger, số chất khác sử dụng nấm men Các chủng cơng nghiệp phần bí cơng nghệ khó có được, nhiên số chủng từ bảo tàng giống quốc tế ứng dụng cho sản xuất acid citric Những chủng bao gồm: A niger NRRL 2270, NRRL 599,ATCC 11414 ATCC 9142; hay Y lipolytica ATCC 20346, ATCC 20390, NRRL Y-7576 NRRL Y-1095 hình 1.2: Quá trình trao đổi chất siêu tổng hợp acid citric Aspergillus niger Sơ đồ chuyển hóa vật chất trình siêu tổng hợp acid citric A niger trình bày hình 1.2 Yếu tố quan trọng cho siêu tổng hợp acid citric tốc độ chuyển hóa cao chất qua q trình glycolys (510mmol.min-1 mg protein -1 ) hạn chế chu trình tricarboxylic acid (TCA) phân hủy citric acid, cung cấp oxaloacetate cho tổng hợp citric acid Các enzyme quan trọng điều hòa sinh tổng hợp acid citric phosphofructokinase (PFK1) pyruvate carboxylase (PC), citrate synthase (CS) ketoglutarate dehydrogenase (KHD) PFK1 bị ức chế citrate nhiên trình hạn chế nồng độ NH4 + cao tích lũy fructose-2, 6-biphosphate (FBP) Enzyme 6-phosphofructo-2-kinase (PFK2) chịu trách nhiệm cho sinh tổng hợp FBP bị điều hòa ảnh hưởng nồng độ chất Việc điều hịa enzyme pyruvate kinase (PK) ảnh hưởng tới trình sinh tổng hợp acid citric Hoạt lực CS A niger bị ảnh hưởng nồng độ OAA sản sinh phản ứng xúc tác enzyme pyruvate carboxylase (PC), enzyme nằm tế bào bào chất kích hoạt nồng độ đường cao Malate tạo từ OAA enzyme malate dehydrogenase tế bào chất Malate tham gia vào vận chuyển trao đổi citrate qua thành ty thể Trong ty thể, malatr oxy hóa trở lại thành OAA Trong điều kiện bình thường ( khơng có tích lũy citrate), citrate chuyển hóa ty thể aconitase (ACT), isocitrate dehydrogenase (IDH) KDH Citrate, OAA NADH có tác động ức chế lên KDH IDH Trong q trình chuyển hóa dẫn tới siêu tổng hợp acid citric, việc điều tiết hoạt động enzyme thiết yếu, để kiểm sốt tốc độ chuyển hóa quan trọng điều tiết vận chuyển glucose hoạt động hexokinase (HK) Hệ vận chuyển glucose lực thấp (K m = 3,67mmol) kích hoạt nồng độ đường hoạt động qía trình siêu tổng hợp acid citric Hệ vận chuyển bị ức chế phần pH thấp nồng độ citrate cao Việc nâng cao hoạt lực sinh acid citric chủ yếu thực thông qua đột biến sàng lọc với luận điểm khả thể HK hệ vận chuyển glucose đóng vai trị siêu tồng hợp acidcitric Các enzyme hệ oxy hóa đóng vai trị q trình siêu tổng hợp acid citric Trong siêu tổng hợp acid citric, NADH tạo sau glycolys oxy hóa lại thông qua đường mẫn cảm với acid salicyl hydroxamic (SHAM) Sự biến đổi so với hoạt động thường xuất phát từ việc enzyme NADM-UQ-oxidoreductase enzym khác hệ ozy hóa bị ức chế bất hoạt 10 Điều kiện cần thiết cho siêu tổng hợp acid cotric A niger bao gồm việc tăng nồng độ đường, giảm thiểu mangan Ngoài ra, số yếu tố khác quan trọng nồng độ phosphate, nito, kim loại vi lượng, pH thấp nồng độ oxy hòa tan cao Nồng độ thấp Mangan (