Đề tài Công nghệ sản xuất xylitol bằng phương pháp lên men

1 Mục lục I. Giới thiệu .............................................................................................................................. 4 1. Xylitol : ........................................................................................................................... 4 2. Nguyên liệu: ................................................................................................................... 5 3. Môi trường ...................................................................................................................... 7 4. Vi sinh vật: ...................................................................................................................... 8 II. Qui trình công nghệ:.............................................................................................................. 10 Quy trình trích ly xylose từ nguyên liệu. ................................................................................. 10 1. Xay ....................................................................................................................................... 10 2. Rửa: ...................................................................................................................................... 11 3. Sấy: ...................................................................................................................................... 11 4. Phối trộn: ............................................................................................................................. 11 5. Gia nhiệt: ............................................................................................................................. 11 6. Thủy phân: .......................................................................................................................... 11 7. Lọc: ...................................................................................................................................... 12 8. Xử lý pha lỏng: ................................................................................................................... 13 II. Quy trình lên men sản xuất xylitol. ..................................................................................... 16 III. Giải thích qui trình công nghệ ............................................................................................ 16 1. Nhân giống : ................................................................................................................. 16 2. Lên men : ...................................................................................................................... 17 3. Tách và tinh chế : ......................................................................................................... 18 IV. Sản phẩm: ............................................................................................................................. 22 1. Xylitol trong các sản phẩm thực phẩm: .................................................................... 22 2. Chỉ tiêu chất lượng : .................................................................................................... 22 V. Thành tựu công nghệ: ........................................................................................................... 23 1. Sản xuất xylitol bằng phương pháp lên men từ rơm : ............................................. 23 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................................... 26 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ Xylose ............................................................................ 4 Hình 2: heza và pentoza có trong thành phần hemixenluloza ................................................ 5 Hình 3: Cấu trúc chủ yếu của lignin........................................................................................... 6 Hình 4: Nấm men C.Tropicalis................................................................................................... 8 Hình 5:Nấm men C.guilliermondii............................................................................................. 9 Hình 6: Qui trình xử lý nguyên liệu ......................................................................................... 10 Hình 7: máy xay bã .................................................................................................................... 10 Hình 8: Thiết bị thuỷ phân bã mía............................................................................................ 12 Hình 9:Máy xử lý nguyên liệu .................................................................................................. 13 Hình 10: Cấu trúc lỗ hỏng của than hoạt tính và than hoạt tính dạng bột mịn ................... 14 Hình 11: Thiết bị lọc than hoạt tính ......................................................................................... 14 Hình 12: Thiết bị cô đặc chân không ....................................................................................... 15 Hình 13: Qui trình sản xuất xylitol........................................................................................... 16 Hình 14: Cơ chế hình thành Xylitol ......................................................................................... 17 Hình 15: Ảnh hưởng của thế oxy lên hiệu suất Xylitol (ô vuông) và ethanol (dấu tròn) .. 18 Hình 16: Thiết bị lọc khung bản ............................................................................................... 19 Hình 17: Sơ đồ hệ thống trao đổi ion ....................................................................................... 19 Hình 18: Thiết bị cô đặc chân không ....................................................................................... 20 Hình 19: Sơ đồ thiết bị lên men ................................................................................................ 21 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Bảng số lượng các nhóm chức của lingnin ................................................................. 6 Bảng 2: Thành phần gỗ brich thuỷ phân.................................................................................... 7 Bảng 3: Thành phần hoá học của bắp ........................................................................................ 7 Bảng 4: Xylitol được sản xuất từ trấu thuỷ phân nước nóng bằng cách lựa chọn phân lập ....................................................................................................................................................... 24 Bảng 5: ảnh hưởng của các phương pháp xử lý vật lý và hoá học khác nhâu trên thành phần trấu gạo(g/kg). ................................................................................................................... 25 4 I. Giới thiệu 1. Xylitol : Xylitol là một chất làm ngọt xuất hiện tự nhiên. Nó có thể được tìm thấy, ví dụ: trong quả dâu tây, rau quả và nấm. Tiếng Phần Lan gọi nó là " koivusokeri ", hay " đường phong " . Cách tốt nhất để sản xuất xylitol là chiết xuất từ cây Bulô ,bằng việc băm nhỏ và nấu chảy sợi cây gỗ xylan. Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ Xylose Hydrolysis Hydrogenation (C5 H8 O4)n n(C5 H10 O5) n(C5H12 O5) Pentosans Xylose Xylitol a. Tính chất vật lý Khối lượng phân tử : 152 Hình dạng : màu trắng, bột tinh thể Không mùi Điểm sôi : 126 0 C(760mmHg) Điểm nóng chảy : 92 – 960C 5 Độ hoàn tan ở 200C : 169g/100g nước, khó tan trong etanol, metanol. pH trong nước : 5 -7 Nhiệt hòa tan : -34.8cal/g Năng lượng : 4.06cal/g 2. Nguyên liệu: a. Bã mía : Phế phẩm của các nhà máy đường . Thành phần bã mía : Cellulose : 39.2 % Hemicellulose : 19.7% Ligin : 17.8% Protein :1.5% Hemixenluloze - hemixenluloze thuộc nhóm phoysaccarit phi xenluloza - hemixenluloze là hỗn hợp của một số loại pholysaccarit. khi thủy phân chủ yếu tạo ra một số đồng phân lập thể thuộc heoza. - hemixenluloze gồm các pholysaccarit mà mạch phân tử có thể là homopolyme hoặc opolyme. - Các đơn vị mắt xích của các phoysaccarit hemixenluloza thường là vòng anhydro của các saccarit như D-xyloza, L-arabubiza - Trong thành phần của một số phoysaccarit hemixenluloza còn liên kết với nhóm axetyl làm cho thành phần của hemizenluloza trở nên phức tạp hơn. Hình 2: heza và pentoza có trong thành phần hemixenluloza 6 Lingin lingin là hợp chất cao phân tử có hoạt tính thơm. bộ khung của dơn vị mắt xích lignin la phenyl propan. các nhóm chức có ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của lignin là nhóm hydroxyl phenol, nhóm hydroxyl rượu benzolic va nhóm cacbonyl Bảng 1: Bảng số lượng các nhóm chức của lingnin (tính theo đơn 100 đơn vị phenylpropan) Nhóm chức Metoxyl Hydroxyl phenol ( tự do) 139-158 9-13 Hình 3: Cấu trúc chủ yếu của lignin 7 Bảng 2: Thành phần gỗ brich thuỷ phân Bảng 3: Thành phần hoá học của bắp 3. Môi trường Thành phần môi trường cần cho lên men . Xylose : 5-15g/l Glucose :0.5-2g/l Dịch chiết nấm men :0.2-2g/l (NH4)2SO4 : 0.2-2 mg/l KH2PO4 : 0.2-2 mg/l MgSO4 : 0.02-0.1mg/l 8 Thực hiện : - Xylose ,glucose được pha với thành phần thích hợp , bổ sung MgSO4 . - Tiệt trùng : Điều kiện : 121oC , áp suất 1.5atm ,thời gian 15 phút . Thiết bị : autoclave - Bổ sung dịch chiết nấm men và các khoáng còn lại . - Chỉnh Ph = 4.5-5.5. 4. Vi sinh vật: 4.1. Candida Tropicalis a. Đặc điểm: Chủng: Nấm Ngành: Ascomycota Lớp : Saccharomycetes Bộ: Saccharomycetales Họ: Saccharomycetaceae Giống:Candida Loài: C.tropicalis Candida Tropicalis là một loại nấm men có hình tròn hoặc bầu dục, kích thước khoảng .0-5.5 x 4.0-9.0 um. a. Tính chất: Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Maltose; Galactose; Nguồn Nito: Muối amoni Nhiệt độ tối thích: 30 0 C pH: 4.1 - 5.3 Nhu cầu oxi: Vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện Hình 4: thiết bị tiệt trùng autolave Hình 4: Nấm men C.Tropicalis 9 Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính 4.2. Candida guilliermondii a. Đặc điểm: Chủng: Nấm Ngành: Ascomycota Lớp : Saccharomycetes Bộ: Saccharomycetales Họ: Saccharomycetaceae Giống:Pichia Loài: P. guilliermondii Candida guilliermondii là một loại nấm men có hình tròn hoặc bầu dục, kích thước khoảng . 2.0-4.0 x 3.0-6.5um. b. Tính chất: Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Sucrose Nguồn Nito: Muối amoni Nhiệt độ tối thích: 30 0 C pH: 3.5 -7 Nhu cầu oxi: Vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính Hình 5:Nấm men C.guilliermondii 10 II. Qui trình công nghệ: Quy trình trích ly xylose từ nguyên liệu. Hình 6: Qui trình xử lý nguyên liệu 1. Xay Mục đích : tác động cơ học giảm khích thước nguyên liệu (kích thước tối đa là dài 1.5cm), chuẩn bị cho quá trình thủy phân . Thiết bị : Hình 7: máy xay bã 11 2. Rửa: Mục đích: loại bỏ các thành phần khoáng không tan ( đất, cát, kim loại…) 3. Sấy: Mục đích: giảm thành phần ẩm xuống 10% và thành phần tro duy trì ổn định ở mức tối đa là 1%. -Phương pháp thực hiện: sấy tự nhiên (phơi dưới ánh nắng mặt trời) 4. Phối trộn: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình thủy phân Phương pháp thực hiện: Dung dịch axid clohidric (hoặc axid sulfuric) và bã mía được phối trộn theo tỉ lệ HCl: bã mía khô là 10:1. Hổn hợp được trộn kỹ trong thùng quay và được chuyển qua thiết bị trao đổi nhiệt. 5. Gia nhiệt: Mục đích: Chuẩn bị cho quá trình thủy phân.Quá trình này là quá trình tiền thủy phân thành phần hemixellulose trong bã mía. Phương pháp thực hiện: Dịch axid và bã mía được gia nhiệt lên 100-125oC trong 40-75 phút. Thiết bị : thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ áo. 6. Thủy phân: Mục đích : dưới tác dụng axit các polysaccharide sẽ thủy phân thành monosaccharide. Trong đó hemicellulose thủy phân thành xylose . Thực hiện : Bán thành phẩm từ thiết bị trao đổi nhiệt ( hỗn hợp bã mía và dịch axid) được thủy phân liên tục trên băng tải, ở đây, hỗn hợp được tưới bằng nước nóng 100 o C 12 Hình 8: Thiết bị thuỷ phân bã mía 7. Lọc: Mục đích: thu dịch lọc chứa xylose. Phương pháp thực hiện: hỗn hợp được lọc lấy phần lỏng. Dịch lỏng được thu vào những bình đáy hình nón được đặt ngay dưới băng tải. quá trình này trích ly hoàn toàn thành phần xylose của bã mía. Sản phẩm thủy phân được thu vào bình đáy hình nón chứa khoảng 17-20 % xylose. 13 Hình 9:Máy xử lý nguyên liệu 8. Xử lý pha lỏng: a. lọc: -mục đích: để loại bỏ những phần chưa được thủy phân. -Thiết bị: thiết bị lọc dùng vải lọc. b. Xử lý dịch lọc với than hoạt tính. 14 Hình 10: Cấu trúc lỗ hỏng của than hoạt tính và than hoạt tính dạng bột mịn Mục đích: Để hạn chế nồng độ các chất ức chế quá trình lên men sinh ra trong quá trình thủy phân như axid acetic, furfural, hydroxyl metyl furfural, hợp chất phenolic. Phương pháp thực hiện: Hỗn hợp sau thủy phân sẽ được xử lý bằng than hoạt tính ở 30oC trong 60 phút, và thường được tiến hành 3 lần, quá trinh này được thực hiện ngay sau quá trình lọc. Thiết bị: Hình 11: Thiết bị lọc than hoạt tính c. Cô đặc chân không. Mục đích: tăng hàm lượng xylose như mong muốn, đáp ứng cho quá trình lên men. Phương pháp: nhiệt độ cô đặc 70oC. pH được điều chỉnh ở 5.4 sử dung NAOH 0.1N. Thiết bị: thiết bị cô đặc chân không: 15 Nguyên lý hoạt động: Dung dịch hoặc hỗn hợp (quả, miếng và dịch) cho vào thiết bị qua cửa nạp nguyên liệu . Sau đó đóng chặt cửa lại. Mở van hơi cấp nhiệt cho thiết bị. Dưới tác dụng của hơi nước bão hoà, hỗn hợp dịch trong thiết bị được nâng dần nhiệt độ. Khi nhiệt độ dịch đạt 70-75 oC, bơm chân không hoạt động, hút hơi ẩm ra ngoài, tạo độ chân không cho thiết bị. Khi áp suất chân không làm việc đạt p= 500 -600 mmHg, điều chỉnh van hơi sao cho thông số của thiết bị ổn định, lúc này dịch trong thiết bị sôi, chất lỏng được hoá hơi và hơi được hút ra ngoài bằng bơm chân không. Nồng độ chất hoà tan trong dịch tăng dần lên, quá trình thẩm thấu chất hoà tan diễn ra làm nồng độ chất khô trong dich cũng tăng dần. Quá trình diễn ra liên tục cho đến khi nồng độ chất khô của sản phẩm đạt yêu cầu. Sản phẩm được tháo ra ngoài qua cửa tháo sản phẩm. Kết quả: Thành phần đạt được sau cô đặc Xylose = 46 g l -1 Glucose = 1.8 g l -1 Arabinose = 2.5 g l -1 total phenols =1.78 g l -1 furfural = 0.011 g l -1 hydroxymethylfurfural=0.004 g l - Hình 12: Thiết bị cô đặc chân không 16 II. Quy trình lên men sản xuất xylitol. III. Giải thích qui trình công nghệ 1. Nhân giống : Mục đích : tạo giống cho sản xuất từ giống gốc. Thực hiện : Phục hồi giống nuôi trong môi trường thạch nghiêng (40g/l malt ,15g/l agar) ủ ở nhiệt độ 250C cho đến khi tạo bào tử . Chuẩn bị môi trường lên men và cấy giống theo các cấp cho đến khi đủ canh trường để lên men cho sản xuất. Sơ đồ nhân giống : - Thể tích lên men : 150m3 - Tỉ lệ bổ sung canh trường giống : 5-10% thể tích môi trường . - Ống giống gốc được cho vào erlen 50ml ( chứa 15ml môi trường ). - Erlen 500ml chứa 150ml môi trường . - Thùng 5l chứa 2l môi trường . - Thùng 50l chứa 15l môi trường. - Bồn 5hl chứa 150l môi trường . - Bồn 5m3 chứa 1.5m3 môi trường . Nguyên liệu Giống Nhân giống Lên men Tách và tinh chế xylitol Hình 13: Qui trình sản xuất xylitol 17 - Bồn 20m3 chứa 15m3 môi trường .( giống cho sản xuất ) 2. Lên men : Mục đích : Quá trình trao đổi chất của vsv sẽ tăng sinh khối và sản phẩm (Xylitol) Thực hiên : môi trường sẽ được bơm vào thiết bị lên men ,tiếp theo giống được cho vào. Oxy được bơm liên tục trong quá trình lên men. Thông số công nghệ : - Nhiệt độ lên men :28-320C - pH=4.5-5.5 - Thời gian lên men : kết thúc khi xylose được sử dụng hoàn toàn ( 48h). - Tốc độ cánh khuấy :300-600rpm - Tốc độ oxy : hòa tan ở trong môi trường 0.1-5% của kk bão hòa. Vấn đề tiến hành bổ sung môi trường . -Bắt đầu bổ sung môi trường khi hàm lượng xylose còn khoảng 3-6 % - Môi trường bổ sung : 1lit chứa 700g xylose và 100g glucozo ,ngoài ra còn các chất dinh dưỡng. - Tốc độ bổ sung :6.04g/l h Cơ chế lên men : Hình 14: Cơ chế hình thành Xylitol Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men 18 Hàm lượng glucose trong môi trường nuôi cấy - Glucose nguồn dinh dưỡng ,giúp vi sinh vật tăng sinh khối .Sinh khối nhiều làm tăng sản phẩm . - Sự tạo thành ethanol trong quá trình trao đổi chất ,gây ức chế tế bào hoặc ức chế sản xuất sản phẩm . Vậy cần có hàm lượng đường tối ưu . Hàm lượng oxy và thế oxy hóa khử : - Hàm lượng oxy thay đổi thế oxy hóa khử thay đổi - Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo sản phẩm (Xylitol). - Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo ethanol . Hình 15: Ảnh hưởng của thế oxy lên hiệu suất Xylitol (ô vuông) và ethanol (dấu tròn) Điểm oxy hóa khử tối ưu là :-100mv .Để điều khiển thông số này ta dùng một cảm ứng thế oxy hóa , cảm biến sẽ thu nhận tín hiệu gửi về bộ phân điều khiển ,từ đó sẽ điều chỉnh vận tốc oxy cho phù hợp . 3. Tách và tinh chế : Mục đích : thu nhận sản phẩm . -Dịch sau lên men bao gồm : sinh khối (nấm men ), đường sót (D-xylose), Xylitol , và một số chất khác . 19 Quy trình thu Xilytol : a. Lọc- khử khoáng -Mục đích : tách sinh khối nấm men và cặn nhằm thu dịch trong chứa Xilytol. - Thực hiện : dịch sau lên men được bơm qua thiết bị lọc khung bản .Sinh khối và cặn được giữ lại trên màng , ta thu được dịch trong . - Thiết bị lọc khung bản : Hình 16: Thiết bị lọc khung bản Dịch trong thu được sẽ qua quá trình khử khoáng Phương pháp : trao đổi ion Hình 17: Sơ đồ hệ thống trao đổi ion 20 b. Cô đặc chân không -Mục đích : bốc hơi nước giảm hàm ẩm , tăng nồng độ đường .Ngoài ra còn làm mất một số chất bay hơi . -Thực hiên : dịch trong thu được bơm vào thiết bị cô đặc , điều kiện làm việc áp suất thấp , nhiệt độ thấp ( 50oc) nhằm tránh các phản ứng làm biến đổi đường ở nhiệt độ cao . -Thiết bị : thiết bị cô đặc chân không . Hình 18: Thiết bị cô đặc chân không c. Loại D-Xylulose D-Xylulose là đường sót trong quá trình lên men , loại Xylulose nâng cao độ tinh khiết cho Xylitol . Thực hiện : Thực hiên phương pháp trao đổi ion .Nhựa trao đổi ion sẽ hấp phụ Xylulose mạnh . Thiết bị : ion exchange resin Amberlite IRA 400 d. Trích ly và kết tinh : Mục đích : thu xylitol. Thực hiện : Cồn nóng được dùng làm dung môi trích ly .Xylitol sẽ hòa tan trong cồn nóng . Sau đó hạ nhiệt độ tới -15oC, các tinh thể Xylitol bắt đầu kết tinh ,lọc thu kết tủa (thu sản phẩm ). Lấy tinh thể hòa tan vào cồn nóng trở lại , sau đó tái kết tinh để thu được sản phẩm bảo đảm tinh khiết . 21 e. Sơ đồ thiết bị lên men : Hình 19: Sơ đồ thiết bị lên men f. Giải thích sơ đồ : Thiết bị lên men bao gồm : - Thùng lên men : Môi trường được bơm vào thùng lên men từ thùng chứa môi trường - Trên nắp thùng có gắn cánh khuấy và động cơ khuấy . - Thùng giống : chứa canh trường nấm men - Thùng môi trường : chứa môi trương lên men , - Bộ chỉnh Ph : gồm 2 bình axit ,bazo.Bộ cảm biến Ph sẽ cho biết sự biến đổi của ph trong tiến trình lên men , và gửi tín hiệu lên bộ điểu khiển để chỉnh ph cho thich hợp. - Bộ điều chỉnh nhiệt độ : 1binh nóng ,1 bình lạnh ,phương pháp điều khiển giống bộ điều chỉnh ph . -Hệ thống cung cấp oxy : gồm thiết bị lọc không khí (đảm không khí luôn sạch ,nếu không môi trường lên men sẽ bị nhiễm),hệ thống bơm khí vào thùng từ dưới lên. - Dịch sau lên men sẽ được bơm ra thiết bị chiết tách . g. Đánh giá quá trình lên men : Dùng HPLC với cọt là Sugar pak I. 22 IV. Sản phẩm: Xylitol đã được sử dụng trong một loạt các sản phẩm. Nó có thể được sử dụng như một phụ gia thực phẩm trong ngành công nghiệp, trong ngành công nghiệp dược phẩm, y tế thực phẩm, nước giải khát các ngành công nghiệp, bánh ngọt, chất tạo ngọt. 1. Xylitol trong các sản phẩm thực phẩm: Ta dùng xylitol để cải thiện chất lương cá đông lạnh và các sản p