Đề tài Công nghệ sản xuất Glycerol

GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 5 PHẦN 1: TỔNG QUÁT VỀ GLYCEROL - Glycerol ( 1,2,3 – propane trial) là rượu gồm có hai nhóm rượu sơ cấp và một nhóm rượu thứ cấp. - Được phát hiện vào năm 1779 bởi Scheele khi đang xà phòng hóa dầu olive. Hình 1: Công thức phân tử của glycerol Hình 2: Cấu trúc không gian của glycerol - Tổng hợp trực tiếp từ CO2 và H2 nhưng không có giá trị thực tiễn. - Thu nhận từ quá trình thủy phân chất béo trong công nghiệp xà phòng, nhưng sản lượng rất thấp nên thường được tổng hợp từ các chủng vi sinh vật. - Đối với tất cả các quá trình sử dụng bisulfite thì các chủng S. cerevisiae được sử dụng để tạo glycerol. Ngoài ra, còn một số chủng khác để tổng hợp glycerol như : Bacillus subtilites, Candida, Torula, Lactobacillus, Aspergillus nige. Dunaliella tertiolecta. Hình 3: Bacillus subtilites Hình 4: Candida GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 6 Hình 5 : Torula Hình 6 : Lactobacillus Hình 7: Aspergillus nige Hình 8: Dunaliella tertiolecta  Cơ chế sự tạo thành glycerol: - Nếu trong điều kiện bình thường, theo chu trình Embden – Meyerhof – Parnas, Acetandehyt sẽ bị khử thành ethanol theo phương trình sau: CH3-CHO + DPNH + H + CH3-CH2OH + DPN + - Khi có mặt của sunfit hoặc hyrazit, thiosemicabazit, acetandehyte sẽ không thể đóng vai trò nhận hydro. Trong trường hợp này, hydroxyaceton photphateđược hình thành trong giai đọan trên sẽ tiếp nhận hydro và tạo thành glycerol photphate. Glycerol photphate sẽ tiếp tục các phẻn ứng và tạo thành glycerol. GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 7  Một số ứng dụng: - Mỹ phẩm: · Cung cấp các sản phẩm chăm sóc sức khỏe như thuốc làm mềm da, giữ ẩm và bôi trơn. · Glycerol có mùi dễ chịu và khả năng hòa tân tốt hơn sorbitol. · Làm kem đánh răng, nước súc miệng, sản phẩm chăm sóc da, kem dưỡng da, sản phẩm chăm sóc tóc và xà phòng. - Thức ăn và nước giải khát: · Cung cấp chất tạo độ ẩm, chất hòa tan và chất tạo độ ngọt,có thể giúp bảo quản thực phẩm. · Hòa tan các chất tạo hương (như vani) và phẩm màu · Tạo độ ẩm và độ mềm cho kẹo, bánh và trong nhiều trường hợp người ta còn sử dụng cho thịt và phô mai · Sản xuất ra các sảm phẩm tạo nhũ tương đơn và đa glyceride. · Dùng sản xuất polyglycerol ester và dùng trong sản xuất bánh và bơ thực vật · Dùng làm chất bổ sung vào các sản phẩm có ít độ béo nhằm mục đích tạo độ béo cho phù hợp. · Glycerol có độ ngọt bằng 60% độ ngọt của đường sucrose. · Glycerol không làm tăng đường huyết, và cũng không tạo điều kiện cho các vi khuẩn trong răng miệng phát triển gây sâu răng. · Glycerol khi sử dụng không cần phải pha loãng, và sẽ không gây hiện tượng rút nước mô, vì vậy mà không tạo ra hiện tượng phồng nước trong miệng và đau dạ dày. - Làm thuốc: · Được dùng trong điều chế thuốc và dược phẩm,công dụng chủ yếu là để tăng sự mềm mại, sự bôi trơn hay được sử dụng như một chất tạo độ ẩm.Và cũng có tác dụng làm giảm sự căng thẳng trí não. · Bào chế thuốc giúp nhuận tràng, sirô trị bệnh ho, rượu thuốc hay thuốc long đườm. · Được sử dụng thay thế rượu, và được sử dụng như một chất làm tăng khả năng hòa tan dịch chết thảo mộc dùng chữa bệnh. GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 8 PHẦN 2: NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT I. Gạo: 1) Khái quát: · Họ : Poaceae/Gramineae . · Phân họ : Oryzoideae. · Tộc : Oryzeae. · Chi : Oryza. · Loài : Oryza Sativar L. Hình 9: Sản phẩm gạo 2) : 10 GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 9 11 h t - Vỏ trấu : · Lớp bao ngoài cùng của hạt. · Gồm các tế bào rỗng có thành cellulose. · Các tế bào vỏ trấu kết với nhau nhờ khoáng và lignin. Vỏ trấu có gân nổi rõ, xù xì và ráp nên dễ bám vi sinh vật. Màu sắc vỏ trấu khá đa dạng: màu nâu, vàng... · Độ dày vỏ trấu phụ thuộc vào giống hạt, độ mẩy: trong khoảng 0,12 – 0,15 mm, chiếm khoảng 18 – 19,6% so với toàn hạt. - Vỏ hạt: · Liên kết chặt với lớp aleurone, nhưng liên kết lỏng lẻo với lớp vỏ quả. · Lớp vỏ hạt chứa ít cellulose hơn nhưng nhiều protid và glucid hơn vỏ quả. - Vỏ quả: · Thành phần gồm cellulose, pentosan, pectin, khoáng. · Chiều dày trong tế bào không giống nhau, ở gần phôi lớp vỏ quả mỏng nhất. GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 10 - Lớp aleurone: · Bao bọc nội nhũ và phôi. · Chiếm khoảng 6 – 12% khối lượng hạt. · Chứa nhiều protid (chủ yếu là enzym), tinh bột, cellulose, pentosan, lipid, phần lớn vitamin và khoáng của hạt. · Khi xay xát hạt, lớp aleurone bị vụn thành cám. Do có chứa nhiều lipid không no nên cám dễ bị oxi hóa gây mùi hôi. - Nội nhũ: · Phần dự trữ chất dinh dưỡng của hạt. · Tế bào nội nhũ khá lớn, thành mỏng. · Chứa tinh bột, protid, lượng nhỏ lipid, khoáng, cellulose và một số sản phẩm phân giải của tinh bột như dextrin, đường... - Phôi: · Chứa nhiều chất dinh dưỡng cần cho sự phát triển. · Gồm: protid, glucid hòa tan, nhiều lipid, khoáng, cellulose, vitamin. Phôi dễ bị hư hỏng, các chất dinh dưỡng trong phôi rất dễ bị biến đổi. 3) Thành phần hóa học: - Trong gạo, tinh bột chiếm từ 70 – 85%, phần còn lại là: protein, lipid, đường, cenlulose, vitamin và tro…. - Đặc điểm hạt tinh bột: kích thước hạt tinh bột nhỏ nhất trong hệ thống hạt tinh bột Bảng 1: Hạt tinh bột của một số loại gạo: Thành phần Loại gạo Tinh bột, % theo chất khô Hàm lượng Amiloza %theo tinh bột Nhiệt độ hồ hóa, C Kích thước hạt tinh bột (đường kính : d) Hình dạng Tám thơm 85.00 18.30 70-80 2-10 Đa giác Chiêm chanh 83.00 26.30 70-80 2-10 Mộc tuyền 82.40 21.00 70-80 2-10 GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 11 Bảng 2: Thành phần hóa học của 100g gạo Các chỉ số Loại gạo Tám thơm Chiêm canh Mộc tuyền Nước (% theochất khô) 12 11.50 12.20 Nitơ (% theo chất khô) 1.13 1.34 1.25 Nitơ hoà tan (% theo chất khô) 0.15 0.10 0.10 Đường chung (% chất khô) 0.71 0.92 0.87 Đường khử (% theo chất khô) 0.19 0.13 0.16 Tinh bột (% theo chất khô) 85 83 82.40 Dextrin (% theo chất khô) 0.70 0.95 0.72 Cellulose (% theo chất khô) 0.46 0.53 0.45 Tro (% theo chất khô) 0.72 0.70 0.72 Vitamin B1 mg% - 0.05 0.068 Vitamin B2 mg% - 0.012 0.024 4). Các chỉ tiêu chất lượng: - Chỉ tiêu về cảm quan: · Đồng nhất về màu sắc, kích thước · Không có hạt bị mốc, mối mọt · Không có mùi hôi, không có cát sạn. - Chỉ tiêu vật lý: · Độ ẩm : 12% - 14% · Độ hòa tan : 80% - 85% GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 12 - Chỉ tiêu hóa lí: Bảng 3: Các chỉ tiêu hóa lý đánh giá chất lượng gạo: TT Chỉ tiêu Hạng chất lượng 1 2 3 4 1 Độ ẩm (% khối lượng, không lớn hơn) 14 14 14 14 2 Tạp chất (% khối lượng, không lớn hơn) 2 2 2 2 3 Hạt bạc trắng (% khối lượng, không lớn hơn) 7 12 20 40 4 Hạt biến vàng (% khối lượng, không lớn hơn) 0.5 1 2 4 5 Hạt không hoàn thiện (% khối lượng, không lớn hơn) 3 4 6 8 6 Hạt bị hư hỏng (% khối lượng, không lớn hơn) 0,5 1 3 5 7 Hạt rạn nứt (% khối lượng, không lớn hơn) 10 15 25 40 8 Hạt lẫn loại (% khối lượng, không lớn hơn) 5 10 15 20 9 Hạt đỏ (% khối lượng, không lớn hơn) 1 3 8 15 10 Sâu mọt sống hại thóc (% khối lượng, không lớn hơn) 5 5 5 5 - Chỉ tiêu hóa học: Dư lượng hóa chất trừ sâu, tính bằng miligam trong 1kg gạo, không được vượt quá mức qui định trong bảng. 4: Định mức dư lượng thuốc trừ sâu Tên hóa chất Mức Linđan (666.NHC, HCH) Diazinon Diclovot ( Dichlovos) Malathion Wolfatoo Methylparathion Dimethoat ( B, 5B, Rogor) 0,5 0,1 0,3 2,0 0,7 1,0 GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 13 II. Vi sinh vật: Giống vi sinh vật sử dụng trong sản xuất Glycerol là Saccharomyces cerevisiae. Hình 12: Sacharomyces cerevisiae.  Khái quát chung: - Là loại vi sinh vật đơn bào. - Thuộc bộ Endomycetales. - Họ Saccharomycetaceae - Giống Saccharomyces. - Có thể sống trong điều kiện hiếu khí hay kị khí. - Hình dạng: tế bào hình bầu dục nếu ở môi trường giàu chất dinh dưỡng. Trong điều kiện kị khí, tế bào có hình tròn; ngược lại, trong điều kiện hiếu khí tế bào kéo dài hơn. - Kích thước thay đổi trong khoảng 2,5 - 10 µm × 4,5 -21µm.  Một số tính chất sinh lí của nấm men: - Nhiệt độ tối ưu: 28 - 32oC - pH tối ưu: 4.5 – 5.5 - Saccharomyces cerevisiae có thể lên men nhiều loại đường (glucose, fructose, saccharose, maltose, rafinose, các dextrin …) và nhiều loại nguyên liệu khác nhau ( như gạo, ngô, khoai, sắn… với lượng đường trong dung dịch là 12 – 14%, có khi là 16 – 18%) nhưng : · Không thể lên men lactose, xenlobiose… · Không đồng hóa D - glucozamin, D- ribose, D-xilose, L- arabinose, D- arabinose, L- ramnose, xenlobiose... GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 14 - Chịu được thuốc sát trùng Na2SiF6 nồng độ 0,02 – 0,025% nên có thể lên men trong điều kiện bắt buộc phải dùng thuốc sát trùng.  Hệ enzym trong tế bào của nấm men: Hệ enzym của nấm men là hệ enzym nội bào, phức hệ enzym cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp sinh khối nó thuộc các nhóm enzym sau: · Nhóm enzym kinaza : Glucokinaza, kinaza, pyruvatekinaza, phosphofructosekinaza, … nhóm enzym này chủ yếu là vận chuyển các gốc tới cho quá trình phản ứng · Nhóm enzym izomeraza : aldolaza, glucozaphosphatizomeraza, …nhóm enzym này chủ yếu là thay đổi đồng phân của cơ chất. · Nhóm enzym mutaza : phospholyxeratmutaza,…chủ yếu làm chức năng hoán vị các nhóm chức trong phân tử của cơ chất. · Nhóm enzym dehydrogenaza : NAD, NADP, FAD…chính là nhóm enzym oxy hoá khử tham gia trong quá trình chuyển hóa đường. · Nhóm enzym proteaze, lipaza tham gia trong quá trình thủy phân cũng có mặt trong tế bào nấm men.  Chỉ tiêu chọn giống: · . · Không sinh độc tố. · Ổn định hoạt tính và bền trước những điều kiện môi trường thay đổi. · Khả năng tổng hợp glycerol: càng mạnh càng tốt · Điều kiện nuôi cấy: đơn giản, môi trường dễ tìm, giá thành không quá cao. · Khả năng thích nghi của giống cao, tốc độ sinh trưởng mạnh. III. Nước : - Trong ngành công nghiệp sản xuất , nước được sử dụng với các mục đích khác nhau. - Trong quá trình công nghệ, nước được dùng để xử lý nguyên liệu, vận chuyển nguyên liệu, nấu nguyên liệu, pha lõang dung dịch, vệ sinh thiết bị, cấp nước cho lò hơi, …Ngòai ra, nước còn dùng cho nhu cầu sinh họat, chữa cháy trong khu vực sản xuất. - Lượng nước sử dụng trong quy trình sản xuấ t glycerol nhiều hơn so với những quy trình sản xuất khác, khỏang 50% lượng nước được sử dụng hòan tòan, hoặc nước thải của công đọan này có thể sử dụng cho mục đích khác. - Các muối cacbonate và sunfate của canxi và kali có trong nước tạo thành độ cứng cho nước.Người ta phân lọai độ cứng của nước như sau: độ cứng tạm thời ( muối CO3 2-), độ cứng GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 15 vĩnh cửu ( không phải CO3 2-) , độ cứng tòan phần (gồm độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cữu) - Ngòai các thành phần hóa học kể trên, còn có các lọai vi khuẩn thường xuyên sống trong thiên nhiên như: pseudiminas, chromobacter, achromobacter, sarcinae. - Trong công nghệ, yêu cầu chất lượng nước giống như sinh họat: phải trong suốt, không màu, không mùi. Hàm lượng muối không được vượt quá các yêu cầu như sau: (mg/l) Cl- 0.5, SO4 2- 80, As 0.05, Pb 0.1 F 3, Zn 5, Cu 3, NO3 - 40 - Không cho phép có NH3 và muối của acid nitric - Không có hoặc chỉ có vết của các muối kim lọai nặng như: Hg, Ba, … khả năng oxi hóa 1lít nước không vượt quá 2mldung dịch KMnO4 0.01N. Chất cặn không vượt quá 1000mg/l - Trong công nghiệp sản xuất rượu nói chung, độ cứng trong nước quá lớn sẽ ảnh hưởng đến quá trình nấu nguyên liệu, đường hóa và lên men. - Đối với quá trình lên men rượu, tổng hàm lượng các muối có trong nước là 2000mg/l có tác dụng kích thích quá trình lên men, nhưng hàm lượng đạt tới 3000 mg/l lại có tác dụng xấu cho quá tình lên men.  Nhìn chung, yêu cầu về chất lượng nước như sau: - Chỉ tiêu cảm quan: · Màu sắc : trong suốt · Mùi vị : không có mùi vị lạ - Chi tiêu hóa học: · Độ cứng từ mềm đến trung bình : 4 – 50D · Hàm lượng muối cacbonate (CO3 2-) : không quá 50mg/l · Hàm lượng muối Clorua ( Cl-) : 75 – 100mg/l · Hàm lượng muối Magie ( Mg2-) : không quá 100mg/l · Hàm lượng CaSO4 : 150 – 200mg/l · NH3 và muối NO2 : không có · Kim loại nặng (As, Ag, Pg, Hg …) : không có · Hàm lượng Fe2+ : không quá 0.3mg/l · Độ cứng tạm thời : 0.7mĐ/l · Độ cứng vĩnh cửu : 0.7mĐ/l · pH cho phép : 6.8 - 7 · Vi sinh vật : không quá 100 tế bào/1cm3 GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 16 - Riêng nước trong nồi hơi phải là nước mềm, có độ cứng toàn phần bằng 0 để chống sự đóng cặn và giảm hệ số trao đổi nhiệt. Xử lý nước có thể bằng hệ thống trao đổi ion, lắng lọc . IV. Các nguyên liệu khác: - Hợp chất chứa nitơ : (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4, CO(NH2)2. - Hợp chất chứa phosphore : dd H3PO4 70% hoặc muối phosphate. - Hợp chất vi lượng : dịch chiết mầm ngũ cốc, chất chiết men. - Chất chỉnh pH : NaOH. PHẦN 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 17 Gạo Làm sạch tạp chất Nghiền Thủy phân Nước Chuẩn bị môi trường Thanh trùng Lên men S.cerevisia e O2 Chưng cất Glycerol Nhân giống GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 18 PHẦN 4: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I. Nhân giống: Mục đích: Chuẩn bị giống cho quá trình lên men. Quá trình nhân giống giúp gia tăng số lượng tế bào ( tăng sinh khối), tích lũy đủ số lượng tế bào cần thiết để cấy giống vào môi trường lên men. 1.Chọn giống: - Nguyên tắc chọn giống : Đã trình bày ở phần trên - Một số trung tâm giống vi sinh vật ( nấm men): · National Collection of Yeast Culture (Norwich) của Anh · CBS Centraalbureau voor Schimmelcultures (Delft) của Hà Lan 2.Giữ giống: - Mục đích: · Tránh cho giống vi sinh vật bị thoái hóa do những yếu tố bất lợi của môi trường xung quanh tác động như : tia UV trong ánh sáng, nhiệt độ của môi trường xung quanh. - Saccharomyces cerevisiae được giữ trên môi trường OF gồm (g/l): · Glucose: 10g · Peptone : 2g · NaCl : 5g · KH2PO4 :0.3g · Dd bromthymol blue 1% : 3ml · Agar : 3g · pH : 7.1 – 7.4 - Con giống sẽ được cho vào 20ml môi trường trên (đã được tiệt trùng ở 1210C, 20 phút) trong một erlen 250ml, sau đó đem cho vào thiết bị lắc với vận tốc 180 rpm ở 300C trong 24 giờ. Đem cả canh trường đi ủ trong 48 giờ ở 300C, sau đó đem bảo quản ở 40C. 3.Nhân giống: - Nhân giống là quá trình tăng dung tích, dịch chứa sinh khối qua nhiều cấp. Mỗi cấp nhân giống thường tăng dung khối từ 10-15 lần. Cứ làm như vậy cho đến khi toàn bộ dung tích đủ để tiến hành quá trình lên men. - Khi nhân giống giai đoạn phòng thí nghiệm, người ta sử dụng các dụng cụ thủy tinh như ống nghiệm, erlen với các dung tích 750 ml, 1l, 2l kết hợp với tủ ấm, tủ lắc điều nhiệt. Do GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 19 thể tích môi trường nhỏ nên việc sử dụng máy lắc có thể đảm bảo được sự đồng nhất trong canh trường nuôi và cung cấp đầy đủ oxy cho sự sinh trưởng, phát triển của nhóm vi sinh vật hiếu khí. - Khi nhân giống ở giai đoạn phân xưởng, người ta sử dụng những thiết bị với dung tích khác nhau: 100l, 500l, 1m3, 3 m3, 5 m3, 10 m3…hoặc lớn hơn tùy theo dung tích của thiết bị lên men đang sử dụng tại nhà máy. Quá trình thực hiện: 10ml chứa môi trường glucose được tiệt trùng và canh trường vi sinh vật được ủ ở 30oC trong 24h. Sau 24h, canh trường sẽ được chuyển vào 90ml môi trường đã tiệt trùng tương tự và tiếp tục ủ ở 30oC trong 24h. 100ml giống này sẽ được chuyển tiếp đến 900ml môi trường và được ủ tiếp. Các cấp nhân giống được thực hiện cho đến khi có đủ số lượng giống cần thiết cho quá trình lên men. Hinh 13: Thiết bị nhân giống 1. Hệ thống điều nhiệt (nhân giống trong erlen). 2. Bình nhân giống trung gian. 3. Thiết bị nhân giống. 4. Hệ thống lọc tách bụi và vi sinh vật. 5. Valve. 6. Bộ phận lọc hơi. 7. Bộ phận đo pH. GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 20 CAÁP LIEÄU BUÏI Taïp chaát nheï Taïp chaát lôùn I II Taïp chaát lôùn Taïp chaát beù Haït chính II. Làm sạch: 1. Mục đích: Chuẩn bị: tách tạp chất ra khỏi nguyên liệu, tạo nguồn nguyên liệu sạch để đưa vào sản xuất 2. Các biến đổi: - Cảm quan : · Làm cho hạt sạch hơn, sáng hơn · Tăng giá trị cảm quan · Tăng chất lượng sản phẩm - Vật lý : · Có sự thay đổi về tỉ trọng · Khối lượng nguyên liệu giảm do tạp chất được tách ra 3. Thiết bị: - Phương pháp thực hiện: Gạo được đưa qua hệ thống làm sạch để lọai bỏ tạp chất - Cấu tạo: · Cơ cấu nạp liệu · Quạt hút: hút các tạp chất nhẹ, rác nhuyễn. · Sàng : loai bỏ các tạp chất nặng như đá , sỏi bị lẫn vào. Hinh 14: Thiết bị làm sạch GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 21 III. Nghiền: 1. Mục đích: Khai thác: Quá trình nghiền nhằm mục đích phá vỡ màng tế bào, đồng thời giải phóng tinh bột ra khỏi tế bào. Đây là khâu quan trọng nhất trong việc quyết định hiệu suất thu hồi tinh bột. Sự phá vỡ màng tế bào càng triệt để thì hiêụ suất tách tinh bột càng cao . 2. Các biến đổi: - Vật lý: · Có sự thay đổi kích thước của nguyên liệu · Tế bào tinh bột bị phá vỡ, giải phóng tinh bột dưới dạng những hạt có kích thước nhỏ - Hoá sinh: · Khi vỏ tế bào bị phá vỡ, các enzim trong tế bào cũng được giải phóng và có điều kiện hoạt động, nhất là các enzim thủy phân tinh bột - Sinh học: · Một số vi sinh vật có thể bị tiêu diệt 3. Thiết bị: - Gạo là nguyên liệu có cấu trúc rất cứng và khó bị phân hủy để tạo chất chiết cho dịch đường, do vậy gạo cần phải được nghiền thật nhỏ, để phá vỡ cấu trúc tinh bột tạo điều kiện cho sự hút nước, trương nở hạt tinh bột, tạo điều kiện cho enzym tiếp xúc với hạt tinh bột, thủy phân tinh bột thành chất chiết của dịch đường , do đó chọn thiết bị nghiền búa có cấu tạo như hình: Hình 15 : Thiết bị nghiền búa GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 22 Chú thích: 1. Vỏ máy 2. Roto 3. Búa 4. Tấm phản hồi 5. Dầm điều chỉnh 6. Hai tấm sàng ghi xoay được 7. Hai tấm sàng ghi kéo ra được  Nguyên tắc hoạt động : Vật liệu được nạp vào máy nghiền từ phía trên của máy, nhờ trọng lượng bản thân rơi hoặc trượt theo máng và vùng ra đập của búa đang quay với tốc độ cao. Sau va đập, vật liệu bị vỡ thành nhiều mảnh và bay với góc phản chiếu khoảng 90˚, tạo thành một vùng đập nghiền. Khi bay, các mảnh vỡ đập vào các tấm lót (được gắn vào các tấm phản hồi) trên thành vở máy, bật ngược trở lại đầu búa để nghiền tiếp, cứ như vậy cho đến khi đủ nhỏ lọt qua mắt sàng ra ngoài.  Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nghiền: · Động năng của búa càng lớn thì hiệu quả nghiền càng cao · Số vòng quay càng nhiều thì hiệu suất nghiền càng cao · Chất lượng của búa nghiền IV. Thuỷ phân: Gồm 3 quá trình: hồ hóa, dịch hóa, đường hóa. 1. Hồ hóa: a. Mục đích: - Nhằm tăng độ phân tán của dịch huyền phù - Phá vỡ cấu trúc màng tế bào của tinh bột, chuyển tinh bột từ trạng thái không hòa tan về trạng thái hòa tan, tạo điều kiện cho qua trình phân cắt các mạch tinh bột của hệ enzym. - Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dịch hóa tiếp theo b. Các biến đổi: - Vật lý: · Dưới tác dụng nhiệt, độ nhớt của dung dịch tăng và đạt giá trị cực đại · Hạt tinh bột trương nở cực đại · Nồng độ chất khô tăng GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 23 - Hóa lý: · Khả năng hòa tan tăng · Dung dịch trở nên đồng nhất · Ở nhiệt độ cao, khả năng hút nước của hạt tinh bột càng mạnh - Sinh học: không có những biến đổi quan trọng - Cảm quan: màu sắc của dung dịch trong hơn - Hóa học: có sự tạo thành liên kết hydro với nước c. Phương pháp thực hiện: - Phối trộn nguyên liệu và nước theo tỉ lệ 1/3 (m/m) - Chỉnh pH của hổn hợp về pH tối ưu của enzym - amylase là khỏang 5.5 - Bổ sung CaCl2.2H2O và HCHO vào để ổn định pH và chống sự nhiễm khuẩn. - Gia nhiệt cho hỗn hợp lên đến 140 – 160oC, thời gian gia nhiệt 30 – 45 phút, thời gian dừng là 40 – 60 phút, sử dụng nhiệt độ và áp suất cao sẽ phá vỡ cấu trúc hạt tinh bột như những liên kết giữa các phân tử amylose và amylopectin với những tạp chất có trong hạt. d. Thiết bị: - Henze – cooker như hình. - Các thông số: · Nhiệt độ : 140 – 160oC . · Áp suất : 4.5 – 6 bar. · pH : 5,5 · Thời gian xả : 20 phút Hình 16: Thiết bị Henze - cooker GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 24 2 Dịch hóa: a. Mục đích: - Phá vỡ cấu trúc của các hạt tinh bột - Làm tinh bột trương nở hoàn toàn b. Các biến đổi: - Vật lý: · Tăng nồng độ chất khô · Giảm độ nhớt · Tăng diện tích tiếp xúc cho hạt tinh bột - Hóa lý: · Tăng khả năng hòa tan cho hạt tinh bột - Hóa học: · Liên kết hydro với nưóc bị phá vỡ - Sinh học: · VSV có thể bị ức chế hay tiêu diệt c. Phương pháp thực hiện: - Tiến hành làm nguội hỗn hợp về 95 - 100oC, rồi đưa vào thiết bị dịch hóa. - Chỉnh pH hỗn hợp về 5.5, bổ sung Ca2+ nồng độ 100ppm và chế phẩm - amylase chịu nhiệt. d. Thiết bị: - Cấu tạo: thiết bị là một thùng kín, vỏ ngoài có áo cách nhiệt, trong thùng được chia làm nhiều ngăn, mỗi ngăn có cánh khuấy nối chung với một trục được dẫn bởi động cơ. - Hoạt động: · Đây là thiết bị hoạt động hoạt động liên tục, dịch sẽ được bơm vào thùng dịch hóa, khi đó dung dịch sẽ chảy từ trên xuống qua mỗi ngăn theo ống trung tâm. · Dung dịch sẽ được lưu một thời gian cố định trong thùng, áo cách nhiệt phía ngoài nhằm giữ nhiệt độ dịch hóa đảm bảo 95 - 100oC và dịch luôn được đảm bảo đảo trộn liên tục bởi cánh khuấy. - Các thông số: · Nhiệt độ : 95 - 100oC · Thời gian : 30 – 60 phút · pH : 5,5 GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 25 Hình 17 : Thiết bị dịch hóa  Làm nguội : a. Mục đích: Chuẩn bị: Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đường hóa tiếp theo b. Các biến đổi: Nhiệt độ dung dịch giảm nhưng các biến đổi khác không đáng kể c. Phương pháp thực hiện: - Dùng thiết bị truyền nhiệt gián tiếp dạng hình trụ có cánh khuấy, tác nhân trao đổi nhiệt là nước lạnh hay glycol - Các thông số cần lưu ý: · Nhiệt độ dung dịch đường sau khi dịch hóa : khỏang 100oC · Nhiệt độ của tác nhân lạnh : khỏang 40oC · Nhiệt độ dung dịch đường sau khi làm nguội : khỏang 50 - 60oC DUNG DÒCH RA DUNG DÒCH VAØO GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 26 d. Thiết bị: - Thiết bị có cấu tạo đơn giản, chỉ gồm 2 ống lồng vào nhau, ống bên trong có cánh khuấy, lớp áo ngoài dùng để gia nhiệt hay làm nguội - Áp dụng cho những loại thực phẩm có độ nhớt cao, dạng huyền phù. Thiết bị này có thể tháo lắp dễ dàng, hạn chế được hiện tượng đóng cặn, bụi trong quá trình xử lý nhệt - Hoạt động: Hỗn hợp dịch đường sẽ đi ở ống phía trong cùng, còn tác nhân lạnh sẽ đi ở ngoài, bằng phương pháp tiếp xúc gián tiếp với tác nhân lạnh và hệ thống cánh khuấy hoạt động liên tục, hổn hợp sẽ được làm nguội.. Hình 18: Thiết bị ống lồng ống 3. Đường hóa: a. Mục đích: Tạo hỗn hợp gồm các đường đơn giản ( glucose) thuận lợi cho quá trình lên men. b. Các biến đổi: - Vật lý: · Tăng hàm lượng chất khô · Tăng khả năng truyền nhiệt · Giảm độ nhớt - Hóa lý: · Tăng khả năng hòa tan - Hóa sinh: · Có sự tác dụng của -amylase và gluco-amylase lên các mạch amylose và amylopectin tạo thành hỗn hợp sản phẩm chủ yếu là glucose và các dextrin mạch ngắn. GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 27 - Hoá học: · Có thể xảy ra phản ứng Maillard tạo thành các hợp chất làm sậm màu dung dịch . c. Phương pháp thực hiện: - Dung dịch đường sau khi được làm nguộí sẽ được bơm vào thiết bị đường hóa. - Bổ sung enzym gluco-amylase vào rồi điều chỉnh pH của dung dịch về pH tối ưu của gluco- amylase , trong quá trình đường hóa, dung dịch sẽ được đảo trộn liên tục bằng hệ thống cánh khuấy. - Trong giai đoạn này, cứ khoảng 5 phút cần tiến hành thử khả năng đường hóa bằng cách: lấy vài chục ml nước dịch đường hóa ra và cho vào đó 2 – 3 giọt I2 ( N/50), nếu dịch đó bị biến màu ( xanh, tím…) thì quá trình đường hóa chưa kết thúc, ngược lại, dịch đó không bị biến màu thì quá trình đường hóa xem như kết thúc d. Thiết bị: - Tương tự thiết bị dịch hóa. - Các thông số: · Nhiệt độ : 50 - 60oC · pH : khoảng 5.5 · Thời gian : Thử bằng I2 để xác định thời điểm kết thúc quá trình. V. Chuẩn bị môi trường: - Mục đích: Bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật. - Môi trường lên men: Thành phần môi trường lên men (g/l) · Glucose :30 · Nồng độ đường : 14 – 16% · Nitrat amon : 5 · Diphosphate kali : 0.75 · Sunfit natri : 40 · Peptone : 10 · Bột chiết nấm men : 5 · K2PO4 : 0.5 · MgSO4.7H2O : 0.1 · MgSO4.7H2O : 0.1 · NH4NO3 : 0.9 GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 28 VI. Thanh trùng môi trường: 1) Mục đích: Tiêu diệt vi sinh vật chuẩn bị cho quá trình lên men 2) Các biến đổi : - Vật lý: · Nhiệt độ: tăng - Hóa học: · Các phản ứng hóa học: Maillard, caramen… · Độ ẩm: giảm - Hóa lý: · Sự đông tụ protein · Sự bốc hơi các chất dễ bay hơi - Sinh học: · Tiêu diệt vi sinh vật 3) Phương pháp thực hiện: - Dịch lên men sẽ được bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống - Cấu tạo : Đơn giản, gồm hai ống lồng vào nhau, dịch lên men sẽ đi phần ống bên trong còn tác nhân gia nhiệt sẽ đi phần ống ngoài Hình 19: Thiết bị ống lồng ống - Các thông số: · Nhiệt độ : 70 – 80oC · Thời gian : 5 - 10 phút GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 29 VII. Lên men: 1. Mục đich: Chuyển hóa đường thành glycerol dưới tác dụng của nấm men ở điều kiện pH và nhiệt độ thích hợp 2. Các biến đổi: - Vật lý: · Có sự tăng nhiệt độ trong quá trình lên men nên cần thực hiện điều nhiệt liên tục - Hóa lý: · Có sự thay đổi pH · Sự giảm thế oxy hóa khử · Sự biến tính và đông tụ của protein - Hóa học: · Phản ứng ester hóa tạo ra một số sản phẩm phụ - Sinh học: · Sự sinh trưởng và phát triển của nấm men - Hóa sinh: · Sự tiêu hao cơ chất và hình thành nên các sản phẩm - Cảm quan: · Màu sắc của dịch lên men trở nên đục hơn 3. Quá trình thực hiện: - Bơm dịch lên men vào thiết bị lên men - Tiến hành quá trình lên men. Lượng dịch chiếm khoảng 90% thể tích thiết bị, cung cấp hàm lượng O2 khoảng 0.035g/l dung dịch trong thời gian đầu. Trong quá trình lên men, cần kiểm tra và điều chỉnh pH và nhiệt độ môi trường. - Trong quá trình lên men, cần quan tâm đến một số sự cố thường xảy ra:  Lên men chậm: Nguyên nhân: · Nhiệt độ dịch lên men qua thấp, men giống sinh sản chậm. · Thiếu chất dinh dưỡng · Số lượng tế bào nấm men sống không đủ Khắc phục: · Tăng cường theo dõi nhiệt độ ổn định · Bổ sung chất dinh dưỡng: (NH4)2SO4, Ca3(PO4)2 . . . GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 30  Sinh màng: ( thường gặp hơn đối với trường hợp lên men rỉ đường) Nguyên nhân: · Vi khuẩn sinh màng xâm nhập Khắc phục: · Giảm bớt lượng sulfate amon  Lên men quá nhanh: Nguyên nhân: · Đường sót tăng · Nhiệt độ lên men tăng cao · Vi khuẩn xâm nhập vào trong quá trình lên men · Nấm men bị chết nhiều Khắc phục: · Tăng cường kiểm tra nhiệt độ lên men, dội nước kịp thời · Đề phòng vi khuẩn · Khống chế nồng độ đường cao. - Cơ sở của quá trình: GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 31 11 H2SO3 acetaldehyte Acetaldehyte 12 sunlfunate GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 32 NADH2 13 14 14 4. Thiết bị: - T : - . Hình 20: Thiết bị lên men GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 33 - - - - - - ; - - - - - - - - - - - - - - Các thông số: · pH : khoảng 6.5 – 8.0 · Nhiệt độ : 28 – 32oC. · Thời gian : 72 – 96h VIII. Chưng cất: 1. Mục đích: - Nhằm phân tách những thành phần riêng biệt trong hổn hợp chất lỏng có nhiệt độ sôi khác nhau 2. Các biến đổi: - Vật lý: · Có sự gia tăng nhiệt độ đáng kể - Hóa lý: · Có sự bay hơi nước và những thành phần khác. - Hóa học: · Ở nhiệt độ cao có thể xảy ra phản ứng Maillard · Protien có thể bị biến tính - Hóa sinh: · Enzym có thể bị vô hoạt ở nhiệt độ cao 3. Quá trình thực hiện: - Cơ sở của quá trình: · Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được hai phần : phần nhẹ có nhiệt độ sôi thấp, chứa những chất dễ bay hơi, phần nặng là cặn chưng cất. · Hơi của những chất lỏng đó ở nhiệt độ khác nhau có áp suất riêng phần khác nhau, hơi chất lỏng nào có áp suất riêng phần lớn thì chất lỏng đó sôi ở nhiệt độ thấp hơn và dễ bốc hơi hơn - Thực hiện: · Sẽ thực hiện quá trình chưng cất phân đoạn với nhiều giai đoạn ứng với các nhiệt độ khác nhau GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 34 · Hỗn hợp dịch lên men được đưa vào thùng chưng cất B, tác nhân nhiệt A được đưa vào thiết bị (hơi nước), lượng hơi được thu nhận được đưa vào thiết bị ngưng tụ C để thu nhận glycerol, lượng khí không ngưng tụ được thảy ra ngoài qua thiết bị hút chân không và một phần được ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ bề mặt D, dung dịch glycerol loãng được thu nhận ta E Bảng 5: Nhiệt độ sôi cùa Glycerol với các áp suất khác nhau Áp suất tuyệt đối (mmHg) Nhiệt độ sôi (oC) 10 167.2 20 182.2 40 198.0 60 208.0 100 220.1 200 240.0 400 263.0 760 290.0 4. Thiết bị: - Sử dụng thiết bị chưng cất phân đoạn như hình: GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 35 Hình 21 : Thiết bị chưng cất - Các thông số : · Hiệu suất thu hồi glycerol 80-90% · Nồng độ glycerol 95-98% PHẦN 5: SẢN PHẨM  Chỉ tiêu cảm quan: · Nhớt, sánh như sirô, không lẫn tạp chất · Trong suốt, không màu · Có vị ngọt · Mùi thơm đặc trưng  Chỉ tiêu hóa lý: · Tan vô hạn trong nước và rượu · Không tan trong eter và cloroform GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 36  Chỉ tiêu vật lý: · Nhiệt độ nóng chảy là 18oC · Khối lượng riêng là 1.261 g/ml · Tỉ khối là 1.26, nhiệt độ sôi là 290oC ở P bằng 1(at)  Chỉ tiêu hóa học: · Không gây độc hại Bảng 6: Các thành phần của glycerol thuần khiết Purity of glycerol Low Medium High Water (%) 26.8 1.1 2.5 Composition of the dry matter1, (%) Glycerol 63.3 85.3 99.8 Eter extract 0.71 0.44 n.a2 P 1.05 2.36 n.a Ka 2.2 2.33 n.a Na 0.11 0.09 n.a Pb 0.0003 0.0002 n.a CH3OH 26.7 0.04 n.a 1 Concentration of cadmium, mecury and arsenic were below the detection limit 2 not analysed GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 37 PHẦN 6: THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ I. Điều khiển môi trường nuôi cấy và chủng vi sinh vật để cải thiện hiệu suất tạo glycerol: Chủng Điều kiện nuôi cấy Sản phẩm và ưu điểm Hiệu suất tạo glycerol S.ellipsoides S. cerevisiae MT có 5% đường , pH 6.5 – 8.0 bằng cách thêm vào Na2CO3 Hiệu suất cao 51% S.cerevisae đột biến bằng tia UV Nồng độ của bisulfite được kiểm soát liên tục nấm men sẽ được thu lại bằng phương pháp ly tâm và được cho trở lại vào bồn lên men, SO2 cũng được tái thu hồi và sử dụng Lượng glycerol tạo ra rất cao 250% so với các chủng chưa đột biến 62.5% II. Sản xuất glycerol bằng những tế bào Saccharomyces cerevisiae cố định • Sử dụng kỹ thuật chưng cất chân không và thêm vào khí CO2 ở nhiệt độ cao đã dẫn đến lượng glycerol tăng trong dịch men. • Sử dụng một chất cảm ứng sinh học với glycerokinase (500 đơn vị). được cố định trên 80 – 120 mắc lưới được điều khiển kính lưới với kích thước lỗ 50nm, lượng glycerol là 1g/l được kiểm soát. III. Sản xuất glycerol bằng nấm men chịu áp suất thẩm thấu : • Đã có nhiều cố gắng để sản xuất glycerol bằng nấm men chịu được áp suất. Với những nấm men này, sản lượng glycerol và các polyol khác đạt được khi nuôi thiếu sulfite và kiềm là cao. • Hầu hết nấm men chịu áp suất thuộc chủng Saccharomyces rouxii và S.mellis. GLYCEROL GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Trang 38 IV. Sản xuất glycerol bằng tảo: • Loài tảo xanh Dunaliella tertiolecta và D.bardavil sản xuất glycerol ở trong môi trường có nồng độ muối cao • Nồng độ glycerol nội bào tương ứng với nồng độ muối mà Dunaliella phát triển : ở 5 mol/l NaCl thì nồng độ glycerol nội bào là 7 mol/l tương đương dung dịch 56% glycerol.