II. Sản xuất bọt ngọt bằng phương pháp lên mẽn
2. Côngđoạn lên men
3. công đoạn trao đổi ion tách axit glutamic ra khỏi dịch lên men 4. công đoạn trung hòa, tinh chế tạo glutamic natri tinh khiết
1 Công đoạn thủy phân
Mục đích của công đoạn này là tạo điều kiện để thực hiện các phản ứng thủy phân tinh bột thành đường lên men được chủ chủ yếu là đường glucoza
Phản ứng sảy ra như sau : nH2o
(C6H10O6)n nC5H12O6
Có 3 phương pháp sau đây :
phương pháp thủy phân bằng enzim
Người ta có thể dùng α-amila , β-amila của các hạt nảy mầm hay của nầm mốc để thủy phân tinh bột thành đường . phương pháp này có ưa điểm là không dùng đến hóa chất hay thiết bị chụi axit, chịu áp lực … không độc hại cho người và thiết bị
Nhược điểm :
• đường hóa không triệt để tinh bột, mà còn ổ dạng trung gian như detrin ….làm cho vi khuẩn lên men mì chính không có khả năng sử dụng • thời gian dường hóa tương đối dài
• lượng đường sau khi đường hóa thấp, do đó phải sử dụng thiết bị to, cồng kềnh
phương pháp thủy phân bằng H2SO4
Ưu điểm : sau khi thủy phân việc trung hòa axit dư sau này không phải dùng Na2CO3 hay NaOH mà dùng CaO rẽ tiền hơn, mặt khác sản phẩm của phản ứng trung hòa lại kết tủa làm cho dịch đường trong theo phản ứng:
CaO +H2SO4 =CaSO4 +H2O
Nhược điểm :hiệu suất thủy phân bằng H2SO4 thấp hơn bằng HCL, trong thực tế hay dùng HCL.
Phương pháp thủy phân bằng HCL
Ưu điểm :cho hiệu suất nhanh thời gian phản ứng ngắn hơn do cường lực xúc tác mạnh, khi trung hào tạo ra một lượng NaCL trong dung dịch ảnh hưởng tới quá trình nuôi cấy vi khuẩn
Nhược điểm : phải dùng thiết bị chịu axit ở nhiệt độ cao, áp suất cao Sau khi thuỷ phân xong ta tiến hành tiếp các giai đoạn sau:
Thủy phân xong dung dịch vào thiết bị trung hòa cho 30% vào để đạt pH=4.8. cho than hoạt tính vào tẩy màu (khoảng 100kg tinh bột cho 0.45 kg than ). Than tẩy màu và giúp cho quá trình lọc dễ, dung dịch có màu trong sáng .
Eùp lọc
Tách các phần bã vá các chất không hòa tan, được dịch đường glucoza 16-18%
2) Công đoạn lên men :
Đây là khâu có tính quyết định nhất đối với toàn bộ dây chuyền sản xuất. Trong công đoạn này có 3 giai đoạn nhỏ là :nuôi giống cấp I,giống cấp II và lên men lớn. Ngòai ra cón có những công đoạn phụ phục vụ cho quá trình lên men như : dây chuyền lọc khí, xử lí urê, xử lí dầu khử bọt
Các khâu của quá trình lên men lần lượt được nghiên cứu như sau :
2.1) Giống –chủng : phần giống chủng đã được tuyển chọn ở trên.
2.2) Môi trường lên men:
Phần giống sau khi được tuyển chọn xong tiến hành nhân giống lần lượt từ ống nghiệm ( môi trường nuôi cấy ban đầu ) sang các môi trường nuôi cấy lớn hơn như bình lắc , nuôi ở thùng tôn, cuối cùng là cho vào nồi lên men chính
Người ta thường sử dụng các môi trường sau :
Môi trường thạch nghiêng :pepton 1%; cao thịt 15; NaCl tinh chế 0.5%; thạch 2%
môi trường giống cấp I:đường glucoza tinh khiết 2.5%; rỉ đường 0,25%; nước chấm 0,32%; MgSO4.7H2O 0,04%; Fe, Mn (đả pha 2000g/l)0,002%;urree 0,5% ; B1(đả pha 150g/l)0,00015%.
môi trường nhân giống cấp II(VD ứng với thể tích thiết bị lên men 60 lít):đường glucoza 200g; MgSO424g ;H3PO460g; KOH, pH=9; nước chấm 300ml; rỉ đường 600g; urê 480g; dầu lạc 60ml; B1 20ml.
Quá trình nuôi giống được tiến hành theo các bước sau :
Giống gốc cấy truyền ra ống thạch nghiêng đời 1 cấy chuyền ống thạch nghiêng đời 2 lên men bình lắc (giống cấp 1) nuôi ở thùng tôn (giống cấp 2) lên men chính (nồi lên men cấp ).
Trong quá trình nhân giống cấp 1: dùng que cấy cấy từ ống gốc sang ống môi trường thạch nghiên rồi để vào tủ ấm trong 24h cho các khuẩn lạc phát triển, sau đó chọn tiếp những khuẩn lạc cấy sang môi trường thạch nghiên thứ hai, cuối cùng cho vào bình tam giác đã chứa sẵn môi trường tiến hành lên men tên máy lắc 12h ta được giống cấp 1
Giống cấp 2: chuẩn bị môi trường và thiết bị như lên men chính, tiến hành thanh trùng môi trường ở 1200C trong 30 phút. Nuôi giống ở nhiệt độ 320C áp suất 1kg/cm2
không thêm ure và dầu, lượng không khí cho vào khoảng 850-1100 l/h. Khi đến giờ thứ 8 bắt đầu soi chọn giống nếu đạt thì cấy tiếp sang môi trường lên men chính (đo OD của dịch lên men, soi nồng độ vi khuẩn …) nếu chưa đạt thì kéo dài thêm thời gian 1-2h.
Khi giống đã chuẩn bị xong ma môi trường lên men chưa xong thì giữ nguyên giống trong nồi, tắt cánh khuấy, giữ nguyên áp lực, cho nước đông lạnh qua vỏ ngoài thiết bị để nhiệt độ hạ xuống gần bằng 100C, không được để giống quá 3 h vì giống sẽ già và hiệu suất tạo L-AG thấp.
Các nguồn chất chính để nuôi đảm bảo yêu cầu trên: hợp chất cacbon :đường glucoza
đạm vô cơ :urê
các muối khoáng cần thiết các chất phát triển …..
3)Quá trình lên men công nghiệp ở nồi lên men
Sau khi tiến hành nhân giống qua ống nghiệm, bình lắc , thùng tôn ta chuyển toàn bộ VSV vào nồi lên men chính để chuyển hoá đường glucoza và đạm vô cơ thành axit glutamic
3.1) xử lí urê và dầu phá bọt.
-xử lí urê : urê tham gia vào thành phần môi trường gồm urê đầu và urê tiếp cho quá trình .urê đầu là urê cho vào môi trường, sau khi môi trường được thanh trùng và làm nguội nhiệt độ 320c. urê tiếp là urê bổ sung trong quá trình lên men, số lượng không cố định, khi pH dịch lên men đang từ trên 7 xuống dần thì phải tiếp dần urê cho đạt lên 7.5-8 sau đó đo lường axit glutamic tạo ra trong môi trường càng nhiều, pH càng giảm xuống 7 hoặc dưới 7 lại tiếp urê nữa cho đến khi đường trong dịch lên men còn khoảng 1% thì không cần tiếp nữa.
-xử lí dầu :trong quá trình lên men, do hoạt động chất men của vi khuẩn, thải ra nhiều CO2 tạo ra nhiều bọt, vì vậy cần phải dùng một lượng dầu thích hợp để phá bọt. Ta hay dùng loại lạc dầu thô.
3.2) xử lí không khí
Các loại vi khuẩn lên men axit glutamic là loại hiếu khí nên quá trình lên men đều phải cung cấp không khí.
Không khí từ khí trời được hút qua thùng tách bụi sơ bộ, qua máy nén, qua hệ thống tách bụi, làm nguội, qua bình lọc bông thuỷ tinh đến các bình lọc riêng sơ bộ rồi mời vào nơi sử dụng như nồi giống, nồi lên men.
3.3) Các giai đoạn xảy ra trong quá trình lên men chính:a.giai đoạn đầu : a.giai đoạn đầu :
8-12 giờ gọi là giai đoạn sinh khối , làm cho vi khuẩn lớn lên, đạt kích thướt cực đại và bắt đầu sinh sản, phân chia.
Những biễu hiện của giai đoạn này là :
- ph tăng dần từ 6.5-6.7 lên 7.5-8. - bọt tạo thành tăng dần
- lượng đường tạo thành tăng dần, thường 2-3 giời đầu hao rất ít, càng về sau tốc độ hao càng nhanh, chung cho cả giai đoạn là 2-3 giờ.
-lượng tế bào vi khuẩn tăng dần từ khoảng 0,13-0,14 đến số 1 (số đo OD trên máy so màu )
- hàm lượng axit glutamic chưa có hoặc rất ít.
b.giai đoạn giữa:
từ giờ thứ 10,12 đén giờ thứ 24,26.giai đoạn này giữ cho số tế bào không tăng thêm nữa hoặc tăng rất ít. Lượng axit glutamic tạo thành lại hoà tan vào các môi trường làm cho pH môi trường giảm dần, CO2bay ra nhiều, bọt tăng ào ạt.
c.giai đoạn cuối :
những giờ còn lại tất cả các biểu hiện đều giảm dần cho đến khi hàm lượng đường chỉ còn <=1% thì lên men kết thúc.
Thông thường để đảm bảo quá trình lên men đạt hiệu quả cao cần chú ý các điều kiện kỹ thuật sau:
Nhiệt độ lên men luôn giữ 320C
Aùp súât : 1Kg/Cm2
Lượng không khí cho vào :30 -> 40 m3/h cho 1m3 môi trường
Tốc độ cánh khuấy 180 -> 200 v/phút
Khi pH giảm đến 7 phải bổ sung ngay urê để tăng pH lên đến 8, thường quá trình lên men bổ sung 2 lần
Khi bọt nhiều phải bổ sung dầu phá bọt ngay để phá bọt, tạo điều kiện cho CO2 thoát ra ngoài dễ dàng.
• Các chế độ kiểm tra ở giai đoạn này: Các thông số:
Nhiệt độ, áp suất phải kiểm tra thường xuyên để điều chỉnh kiệp thời pH mỗi giờ kiểm tra một lần
đo OD ở giờ thứ: 0, 6,1 2, 18,
đo đường: phân tích hàm lượng đường ở giờ thứ : 0, 6, 12, 18, 20, 24. và đến khi kết thúc
Bổ sung ure vào giờ : 0, 6, 12
Đo hàm lượng acid glutamic : 6 , 12, 16, 20, 24, 28, 30 và đến khi kết thúc
Kiểm tra thiết bị, vệ sinh và thanh trùng nồi lên men
Kiểm tra thiết bị:trước khi phối trộn phải kiểm tra toàn bộ hệ thống van vào, van ra, van kim của nồi lên men, kiểm tra bình lọc khí xem bong than còn tốt không, kiểm tra mô tơ cánh khuấy,vệ sinh nồi lên men, thanh trùng nồi- đóng van khí, mở van hơi vào bình lọc khí
riêng. Thời gian thanh trùng 45 phút ở 1200C, sau khi thanh trùng xong đóng van hơi lại, mở van khí nén vào bình lọc riêng và các đoạn ống liên quan để giữ áp
Pha môi trường:đường ở thùng chứa đường. H3PO4 cân đủ lượng cho vào. Cho một ít nước vào thùng pha, cho cánh khuấy hoạt động rồi lần lượt cho rỉ đường, nước chấm, KH2PO4, khuấy tan hết rồi cho MgSO4. điều chỉnh pH =6.5-6.8, cuối cùng cho B1 và dầu vào rồi bơm vào thùng lên men. Sau khi bơm vào nồi lên men cho cánh khuấy hoạt động, cho sục hơi vào môi trường nâng dần nhiệt độ lên 1150C và giữ ở 15 phút thì kết thúc thanh trùng. Làm lạnh nhiệt độ giảm xuống 320C thì tiếp ure vào( ure được thanh trùng và làm nguội), kiểm tra các thông số kỹ thuật rồi tiếp giống cấp hai vào tiến hành lên men
4) Công đoạn trao đổi ion:
Mục đích của côngđoạn này là lấy axit glutamic ra khỏi dịch lên men. Người ta lợi dụng tính chất hạt nhựa polyetilen sunfuric (rezin) sau khi được cation hoá ( được tái sinh) có khả năng giữ lại trên bề mặt nó anion ( ở đây chủ yếu là a.glutamic). Sau đó lại dùng NaOH để tách anion ( axit glutamic) ra khỏi hạt nhựa. Quá trình này xảy ra như sau:
Quá trình hấp phụ :
R’-SO3H+ + NH3ROO- -> R’SO3NH3RCOOH Qúa trình tách ( nhả hấp phụ)
R’SO3NH3RCOOH +NaOH -> R’SO3Na + NH2RCOOH + H2O
Qúa trình trao đổi ion diễn ra theo các bước sau :
a.Pha chế dịch lên men:
Dịch lên men có hàm lượng axit glutamic khoảng 40g/l tức là mật độ phân tử tương đối dày đặc, nếu cứ để vậy thì dòng chảy qua khối nhựa sẽ giảm, mức độ hấp thu giữa a.glutamic và hạt nhựa kém gây ra hiệu súât trao đổi thấp. Vì thế trước khi đưa vào trao đổi ion người ta phải pha loãng dịch lên men bằng dịch thải lần trao đổi trước hay bằng nước lạnh với tỷ lệ nào đó sao cho hàm lượng a.glutamic khoảng 18 -> 20 g/l. mặt khác dịch lên men thường có pH = 6 -> 7, ở điều kiện này khả năng hấp thụ kém. Để tăng khả năng hấp phụ phải dùng HCl điều chỉnh pH dịch lên men xuống 5 -> 5.5.
b.Xử lý hạt nhựa rezin:
Nhựa rezin sau 1 mẻ trao đổi không còn khả năng hấp phụ nữa vì vậy phải xử lý. Quá trình xử lý như sau: Dùng nước sạch rửa ngược trong 1h , thỉnh thoảng dùng áp sấut chân không và van đóng mở gián đoạn để sục đảo cho khối nhựa tơi, đều , rửa xuôi cho tới khi pH =7 thì kết thúc và tiến hành tái sinh
Tái sinh : dùng axit thu hồi cho chảy ngược 15 -> 20 phút, sau đó cho axit mới phavào và giữ cho tốc độ ra vào ngang nhau để cho mặt nước có chiều cao cố định cho tới khi dịch ra có pH = 2->2.5 thì ngừng cho HCl.
Rửa tái sinh: mở van đáy thu hồi axit cho tái sinh lần sau rồi mới cho nước lạnh rửa xuôi cho tới khi pH = 3 thì ngừng . thời gian rủa tái sinh thường là 40 -> 60 phút
c.Trao đổi ion
Sau khi hạt nhựa đã được tái sinh, rửa tái sinh và dùng chân không đóng mở ngắt quãng làm cho hạt nhựa tơ xốp để ổn định rồi cho dịch lên men vào và trao đổi ngược.
Rửa trao đổi: sau khi trao đổi hết để cho rezin lắng xuống tự nhiên , bỏ lớp dịch bẩn ở trên bề mặt, đảo trộn hạt nhựa rồi cho nước sạch vào rửa ngược cho tới khi sạch thì thôi.
Giữ nhiệt : sau khi rửa sạch , ngừng cho nước lạnh vào và cho nước nóng 600C và để gia nhiệt hạt nhựa. Nước thải ra lúc đầu có chứa 1 lượng nhỏ a.glutamic nên được thu hồi lại làm nước pha dịch men ở mẻ sau. Gia nhiệt cho đến khi nước thải đạt 450C thì thôi và cho NaOH 5% vào để tách a.glutamic.
d.Tách axit glutamic:
Dung dịch NaOH 5% đã được đun nóng đến 600C được đưa vào để tách a.glutamic. lúc này dịch thải ra vẫn thu hồi để pha chế mẻ sau nhưng đồng thời phải liên tục kiểm tra pH và độ baumé vì axit glutamic theo dịh ra nhanh chóng. Khi độ baumé đạt 00c thì lập tức thu hồi a.glutamic. chỉ 4-> 5 phút sau độ baumé đạt cực đại ( khoảng 40 -> 50 Be ), lúc này thôi choNaOH. Sau khi đạt cưc đại độ Be giảm dần và cũng chỉ 4 -> 5 phút sau nó giảm về 00Be thi kết thúc thu hồi axit glutamic, phần còn lại được thu hồi làm nước chấm.
5) Tinh chế và hoàn thành phẩm axit glutamic a.Axit hoá axit glutamic:
Toàn bộ axit glutamic thu được ở trên đưa về thùng kết tinh. Cho cánh khuấy hoạt động liên tục để ngăn ngừa axit glutamic kết tủa quá sớm , tinh thể nhỏ và hiệu suất thấp. Cho HCl 31% vào để tạo điểm đẳng điện ở pH 2,9 -> 3,2 thì thôi và bắt đầu làm lạnh.
b.Làm lạnh kết tinh:
Dịch axit glutamic sau khi đạt pH đẳng điện thì cho nước lạnh vào vỏ thùng và làm lạnh nhằm làm tăng độ quá bão hoà của dung dịch tạo cho kết tinh axit glutamic được tốt. Trong quá trình này cánh khúây hoạt động liên tục làm cho axit glutamic kết tinh to, xốp và tơi, 8 giờ sau thì ngừng khuấy nhung vẫn tiếp tục giảm dần nhiệt độ đến môi trường ( tốtnhất là giảm đến và giữ ở 120 C -> sau ít nhất 48 giờ thì quá trình kết tinh kết thúc . Lúc này trong hỗn hợp có 2 pha:
•Pha rắn: gồm axit glutamic đã kết tinh và lắng xuống.
•Pha lỏng : gồm nước và một ít axit glutamic không kết tinh hoà tan và ta gọi đó là nước cái
Phần nước cái đem đi trao đổi lại, phần kết tinh đưa ly tâm ta được axit glutamic ẩm
c.Trung hoà kết tinh:
Mục đích giai đoạn này là chuyển từ axit glutamic thành mỳ chính glutamiatnatri theo phản ứng :
C5H9NO4 + Na2CO3 = C5H8NO4Na + CO2 + H2O
Kết hợp quá trình này là các phản ứng khử sắt và tấy mùi . để có hiệu quả , quá trình này phải đảm bảo các yêu cầu sau:
• Nồng độ của dung dịch trung hoà khống chế ở 21 -> 310Be. • pH = 6.5 -> 6,7
• sắt phải được khử hết
• kiểm tra Na2S quá lượng không còn vết tủa đen • dich thải trong suốt.
Để phản ứng trung hoà và phản ứng khử sắt được tốt , triệt để , phản ứng nênđể xảy ra 70 -> 80 0c là tốt nhất và quá trình xảy ra như sau
Trung hoà 1 :
Cho nước và thùng trung hoà ( tính toán lượng nước cho vào sao cho sau khi trung hoà , dịch có nồng dộ 22 -> 230Be) , gia nhiệt đến 700C , cho cánh khuấy hoạt động rồi từ từ vừa cho axit glutamic vào , vừa cho Na2CO3 cho đến khi pH = 5 -> 5,5 . Cho