Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏProtein đơn bào (SPC-Single cell protein) là thuật ngữ chỉ một loại chất dinh dưỡng có trong tế bào và chỉ sản xuất từ vi sinh vật (VSV), được sử dụng làm thức ăn cho người và động vật. Thuật ngữ này không chỉ đơn giản là protein từ tế bào của cơ thể đơn bào, vì rất nhiều VSV không phải là cơ thể đơn bào mà người ta vẫn khai thác chúng. Do đó, thuật ngữ này nên hiểu là nguồn dinh dưỡng chứa nhiều protein từ VSV khác nhau, cả đơn bào lẫn đa bào (từ vi khuẩn, nấm men, nấm sợi và tảo). Được sử dụng trước hết là nguồn protein trong dinh dưỡng động vật, chủ yếu là trong chăn nuôi.
Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 1 1. GIỚI THIỆU: - Thuật ngữ protein đơn bào mới hình hành trong giới khoa học từ những năm 50 của thế kỷ trước. Thực tế loài người đã biết sử dụng loại protein này và các chất có trong tế bào VSV từ rất lâu. - Protein đơn bào (SPC-Single cell protein) là thuật ngữ chỉ một loại chất dinh dưỡng có trong tế bào và chỉ sản xuất từ vi sinh vật (VSV), được sử dụng làm thức ăn cho người và động vật. Thuật ngữ này không chỉ đơn giản là protein từ tế bào của cơ thể đơn bào, vì rất nhiều VSV không phải là cơ thể đơn bào mà người ta vẫn khai thác chúng. Do đó, thuật ngữ này nên hiểu là nguồn dinh dưỡng chứa nhiều protein từ VSV khác nhau, cả đơn bào lẫn đa bào (từ vi khuẩn, nấm men, nấm sợi và tảo). Được sử dụng trước hết là nguồn protein trong dinh dưỡng động vật, chủ yếu là trong chăn nuôi. Bảng 1: Thành phần hóa học của SCP trên các cơ chất khác nhau Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 2 Bảng 2: Thành phần acid amin thiết yếu của các nguồn SCP khác nhau 1.1. Ưu điểm của protein đơn bào: Sản xuất protein đơn bào có những ưu điểm sau: - Vi sinh vật là cơ thể có tốc độ sinh sản rất mạnh, khả năng tăng trưởng nhanh. Chỉ trong một thời gian rất ngắn ta có thể thu nhận được một khối lượng sinh khối rất lớn, thời gian này được tính bằng giờ, còn ở thực vật và động vật thời gian này được tính bằng tháng hoặc hàng chục năm. Bảng 3: Thời gian tăng đôi khối lượng Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 3 Bảng 4: Hiệu quả sản xuất protein của một số nguồn protein trong 24 giờ - Hàm lượng protein rất cao: ở vi khuẩn là 60 – 70%, ở nấm men là 40 – 50% chất khô. Hàm lượng này còn phụ thuộc vào loài và chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy. Hàm lượng protein ở đây chỉ bao hàm protein chứ không gồm các thành phần nitơ protein như axit nucleic, peptit. - Protein của vi sinh vật có chất lượng tương đương protein động vật và hơn hẳn protein thực vật. - Vi sinh vật có khả năng hấp thụ, phân giải nhiều loại nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, thậm chí cả chất thải, nước thải của một quá trình sản xuất nào đó. - Hiệu suất chuyển hóa cao: hydratcacbon được chuyển hóa tới 50%, cacbuahydro - 100% thành chất khô của tế bào. - Hoàn toàn có thể sản xuất theo quy mô công nghiệp (sản xuất hàng loạt, có kiểm soát và sản phẩm có chất lượng đồng nhất). - Sản xuất protein đơn bào không phụ thuộc vào khí hậu hay điều kiện địa lý. 1.2. Nhược điểm: Tuy vậy, nguồn protein thu nhận được từ vi sinh vật còn có những hạn chế: - Hàm lượng các acid amin chứa lưu huỳnh thấp. - Khả năng tiêu hóa của protein: có phần bị hạn chế bởi thành phần phi protein, như acid nucleic, peptid của tế bào, hơn nửa chính thành và vỏ tế bào VSV khó cho enzyme đi qua. Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 4 1.3. Giá trị dinh dưỡng của SCP: Bảng 5: T hành phần các nhóm chính của một số vi sinh vật (% trọng lượng khô) Bảng 6: Thành phần vitamin của một số vi sinh vật (mg/100 g trọng lượng khô) Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 5 2. NGUYÊN LIỆU 2.1. Parafin - Parafin cao phân tử là hydrocacbon mạch thẳng dùng nhiều trong thực tiễn để tổng hợp hữu cơ. Từ C 6 -C 18 là chất lỏng ở nhiệt độ thường, lớn hơn C 18 là chất rắn, nhiệt độ nóng chảy của chúng tăng dần theo độ dài của mạch C. Nhiệt độ nóng chảy của n- parafin thường lớn hơn của parafin phân nhánh tương ứng Do cấu trúc mạch thẳng, n- parafin có khả năng xâm nhập vào những hốc của zeolit (mạng phân tử). Người ta dùng tính chất này để tách n-parafin khỏi hỗn hợp của chúng với những hydrocacbon nhóm khác. - Parafin thu được từ sản phẩm dầu mỏ sẽ ở dạng hỗn hợp.Người ta phân loại chúng là parafin cứng và parafin mềm. Parafin mềm nóng chảy ở nhiệt độ <40 o C, chúng gồm hydrocacbon C 11 -C 20 , sôi ở nhiệt độ từ 200 o C đến 320-350 o C. Đối với một số yêu cầu, người ta thu parafin mềm ở dạng phân đoạn rất hẹp, ví dụ 250-300 o C. Parafin cứng (nhiệt độ nóng chảy hơn 50 o C) gồm hydrocacbon C 20 -C 35 sôi từ 300-350 o C. 2.1.1 Tách parafin - Nguồn gốc chính của parafin lỏng và rắn dùng cho tổng hợp hữu cơ là dầu mỏ. Dầu mỏ gồm hỗn hợp parafin, naften và hydrocacbon thơm với nhiều tạp chất là những hợp chất chứa oxi và lưu huỳnh. Tùy vào nguồn gốc ban đầu của dầu mà tỉ lệ của những hydrocacbon kể trên sẽ thay đổi đáng kể. - Mỗi loại hydrocacbon trong dầu có nhiều đồng đẳng và đồng phân: parafin có mặt dưới dạng đồng phân đồng phân mạch thẳng và nhánh; naften vòng 5 và 6 với một hoặc nhiều nhóm alkul có độ dài khác nhau; hydrocacbon thơm ở dạng benzen của nó (toluen, xilen) còn những hydrocacbon thơm khác có vòng ngưng tụ (naftalen, antraxen, những đồng đẳng của chúng. Tách n-parafin nhờ zeolit - Là phương pháp mới, tiến bộ được dùng nhiều. Nó dùng cho bất cứ phân đoạn nào và cho độ tách n-parafin cao (80-98%) và độ tinh sạch cao (98-99,2%). Quá trình này gồm 2 giai đoạn: hấp phụ n-parafin và giải hấp phụ. Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 6 - Người ta trộn và phân đoạn dầu với khí N 2 , gia nhiệt và hóa hơi trong thiết bị gia nhiệt . Hỗn hợp hơi khí thu được cho vào thiết bị hấp phụ đã chứa đầy zeolit, tại đây xảy ra sự hấp phụ n-parafin. Làm lạnh hỗn hợp thoát ra sau khi hấp phụ qua bộ làm lạnh rồi tách phần ngưng đã tách parafin ra khỏi khí N 2 trong bộ phân ly. Khi chất hấp phụ bị parafin bão hòa hoàn toàn sẽ xảy ra quá trình giải hấp phụ (NH 3 ). Sau khi giải hấp phụ người ta làm lạnh hỗn hợp chất giải hấp phụ và parafin trong bộ làm lạnh và tách chúng trong thiết bị phân ly. 2.1.2 Tiêu chuẩn của parafin: Bảng 7: Đặc điểm kỹ thuật của parafin dùng để lên men Thành phần Hàm lượng n-alkan (% khối lượng) C 14 C 15 C 16 C 17 C 18 C 19 trở lên Hợp chất có vòng thơm, ppm max Sulfur, ppm max Brom, ppm max 99 1 25 – 35 25 – 35 20 – 30 15 – 20 1 50 10 30 - Sản phẩm nấm men phụ thuộc vào nguồn hydrocacbon có trong nguyên liệu và các phương pháp làm sạch. Nếu trong nguyên liệu có chứa một số cacbua khác, hàm lượng của chúng quá một giới hạn nhất định nào đó có thể làm ức chế sinh trưởng của vi sinh vật - Sản phẩm oxy hóa của một số hydrocacbon khác trong nguyên liệu có thể có tác hại đến tăng sinh khối của giống nuôi cấy. 2.2. Nguồn Nitơ: - Là nước amoniac có 20 - 25% NH 3 và một lượng nhỏ amoni sulfat, amonisulfat có thể được thay bằng amoni clorua. Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 7 2.3 Nguồn khoáng: - Nguồn phospho: sử dụng supephosphat hoặc acid orthophosphoric. - Nguồn Kali và Magie: trong sản xuất sinh khối nấm men, người ta sử dụng KCl như nguồn kali và MgSO 4 .7H 2 O như nguồn cung cấp magie. 2.4. Nước: - Nước sử dụng trong sản xuất sinh khối nấm men là nước sử dụng trong sinh hoạt (nước máy). Nếu sử dụng nước giếng phải xử lý chúng để chất lượng loại nước này đạt chất lượng như nước máy dùng trong sinh hoạt. - Nước được coi như nguyên liệu chính dùng trong sản xuất vì đây là công nghệ lên men hiếu khí. Các yêu cầu về nước : - Có độ cứng từ 4 – 8 o (1 o tương đương 10 mg CaO/l) - Không màu, không mùi, không vị. - Các chất sau không được quá mức cho phép (mg/l): Cl - < 0,5; SO 4 -2 < 80; As < 0,05; Zn < 5; Cu < 3; FeO < 3. - Tổng số vi khuẩn hiếu khí <10 cfu/L (37 o C), không chứa Coliforms, không chứa Faecal streptococci và các vi khuẩn clostridia khử sulphit. Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 8 3. VI SINH VẬT: 3.1. Candida tropicalis (hoặc Candida tropicalis Berkhout) • Giới: Nấm • Ngành: Ascomycota • Lớp: Saccharomycetes • Bộ: Saccharomycetales • Họ: Saccharomycetaceae • Giống: Candida • Loài: Candida tropicalis - Hình thái: Tế bào hình ovan hoặc hình tròn, khá lớn, kích thước là (4 ÷ 8) x (5 ÷ 11) µm, phần lớn các tế bào kế thành nhánh, hiếm khi đứng riêng rẽ. Hệ sợi giả phát triển tốt từ những sợi giả kéo dài phân nhánh thành chuỗi. Không tạo bào tử túi. Trong tế bào già tích tụ nhiều hạt chất béo. Hình 1: Candida tropicalis Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 9 - Tính chất nuôi cấy: Qua ngày đêm ở 36ºC trong nước malt (4ºBe) tạo thành cặn không nhiều và qua một tháng tạo thành màng dày nhăn nheo. Khuẩn lạc mọc trên mặt thạch - malt hình tròn, màu kem trắng. Trên mặt khuẩn lạc có những nếp nhăn với nhánh phát tia. Rìa khuẩn lạc bị chia cắt theo hình răng cưa hoặc có tua (hiếm khi phẳng nhẵn). Men này là loại dị hình thái : một chủng có khi mọc thành khuẩn lạc dạng R (nhăn nheo) hay dạng S (nhẵn). - Tính chất hóa sinh: Candida tropicalis lên men rất tốt ở các dịch đường glucose, galactose, saccharose, maltose. Men này có thể đồng hóa được các nguồn cacbon: glucose, galactose, saccharose, maltose, trehalose, rafinose, melixitose, inulin, d-xylose, l- arabinose, l-ramnose, etanol, glyceryl, d-mannit, d-sorbit, α-metyl-d- glucoside, axit dl-lactic, citric, tinh bột tan. Nấm men này không hấp thu được sorbiose, xenlobiose, lactose, melibiose, dulxit, inozit và axit xalysalic. Những chủng thuộc giống loài này không phân hủy (hoặc rất yếu) arbutin, không tạo thành các chất tương tự tinh bột, thủy phân ure. Không đồng hóa (hoặc rất yếu) nitrat. Các chủng men này cần một số vitamin làm chất sinh trưởng: axit pantotenic, para-aminobenzoic, tiamin, inozit v.v . - Đặc tính công nghệ: Năng suất thu sinh khối của C. Tropicalis đạt khoảng 38 ÷ 46% trong môi trường nuôi cấy, tốc độ sinh trưởng riêng là 0,15 ÷ 0,2/h. Nếu trong môi trường cho thêm cao men (0,5%), destibiotin (5 ÷ 10 γ) năng suất sẽ tăng đến 48 ÷ 50% và tốc độ sinh trưởng là 0,25 ÷ 0,28/h. Nhiệt độ nuôi cấy thích hợp là 36 ÷ 37 o C, pH môi trường là 4,2 ÷ 4,5. Sản xuất SCP từ phụ phẩm dầu mỏ GVHD: PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn Trang 10 3.2. Candida utilis (hay Candida utilis (Henneberg) nov. Comb) • Giới: Nấm • Ngành: Ascomycota • Lớp: Saccharomycetes • Bộ: Saccharomycetales • Họ: Saccharomycetaceae • Giống: Candida • Loài: Candida utilis - Hình thái: Tế bào dài có kích thước 4 x 8.3 μm, đứng riêng rẽ hoặc đôi khi kết thành chuỗi ngắn, phân nhánh. Không thấy sinh hệ sợi hoặc giả sợi, không sinh ra bào tử túi. Hình 2: Candida utilis . toàn có thể sản xuất theo quy mô công nghiệp (sản xuất hàng loạt, có kiểm soát và sản phẩm có chất lượng đồng nhất). - Sản xuất protein đơn bào không phụ. khác nhau 1.1. Ưu điểm của protein đơn bào: Sản xuất protein đơn bào có những ưu điểm sau: - Vi sinh vật là cơ thể có tốc độ sinh sản rất mạnh, khả năng tăng