Đề tài Tìm hiểu công nghệ lên men thực phẩm

Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 1 Mục lục: PHẦN 1: NGUYÊN LIỆU: .................................................................................................. 3 1.1. Mơi trường: ............................................................................................................ 3 1.2. Giống vi sinh vật: ................................................................................................... 6 1.2.1. Sơ lược chung về giống Rhizopus: .................................................................. 6 1.2.2. Rhizopus oryzae: .............................................................................................. 6 1.2.3. Tiêu chuẩn chọn giống vi sinh vật: ................................................................. 7 PHẦN 2: QUI TRÌNH SẢN XUẤT ..................................................................................... 8 2.1. Sơ đồ qui trình sản xuất: ....................................................................................... 8 2.2. Thuyết minh qui trình: .......................................................................................... 9 2.2.2. Tiệt trùng: ..................................................................................................... 10 2.2.3. Nuơi cấy trên mơi trường thu nhận bào tử nấm mốc: ................................. 10 2.2.4. Lọc: ................................................................................................................ 11 2.2.5. Lên men: ....................................................................................................... 12 2.2.6. Hấp phụ: ....................................................................................................... 14 2.2.7. Giải hấp phụ: ................................................................................................ 15 2.2.8. Kết tinh: ........................................................................................................ 15 2.2.9. Ly tâm: .......................................................................................................... 16 2.2.10. Sấy: ............................................................................................................ 17 PHẦN 3: SẢN PHẨM ........................................................................................................ 17 3.1. Giới thiệu chung: ..................................................................................................... 17 3.2. Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm: ............................................................................ 18 3.3. Ứng dụng của acid fumaric: ............................................................................... 18 PHẦN 4: THÀNH TỰU CƠNG NGHỆ. ....................................................................... 19 4.1. Sản xuất axit fumaric từ axit maleic bằng phản ứng đồng phân hĩa: ............... 19 4.2. Sản xuất đồng thời axit fumaric và chitin từ một lọai vật liệu lignocellulosic giàu nitơ – phân bị sữa – sử dụng Rhizopus oryzae ATCC 20344. ............................... 19 PHẦN 5: TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 21 Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 2 Danh mục bảng: Bảng 1Bảng 1.1: Chỉ tiêu chất lượng của MgSO4.7H2O. ................................................................. 3 Bảng 2Bảng 1.2: Chỉ tiêu chất lượng của KH2PO4. ......................................................................... 4 Bảng 3Bảng 1.3: Chỉ tiêu chất lượng của ZnSO4.7H2O. .................................................................. 4 Bảng 4Bảng 1.4: Mơi trường nuơi cấy thu nhận bào tử nấm mốc. ................................................. 5 Bảng 5Bảng 1.5: Mơi trường lên men thu nhận acid fumaric. ........................................................ 5 Bảng 6Bảng 4.1: Các đặc điểm của phân bị sữa. .......................................................................... 20 Danh mục hình: Hình 2.1: Sơ đồ qui trình cơng nghệ. ................................................................................... 8 Hình 2.2: Thiết bị phối trộn. ................................................................................................ 9 Hình 2.3: Thiết bị tiệt trùng dạng bản mỏng. ................................................................... 10 Hình 2.4: Thiết bị nuơi cấy nấm mốc thu nhận bào tử. .................................................... 11 Hình 2.5: Thiết bị lọc ép sử dụng đĩa lọc. .......................................................................... 12 Hình 2.6: Rotating biological contactor. ........................................................................... 13 Hình 2.7: Con đường chuyển hĩa glucose thành acid fumaric. ........................................ 13 Hình 2.8: Cột hấp phụ. ...................................................................................................... 15 Hình 2.9: Thiết bị phản ứng cĩ cánh khuấy. ..................................................................... 16 Hình 2.10: Thiết bị lọc ly tâm. ........................................................................................... 17 Hình 2.11: Thiết bị sấy khay. ............................................................................................. 17 Hình 12Hình 3.1: Cơng thức cấu tạo của acid fumaric. ................................................................ 18 Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 3 PHẦN 1: NGUYÊN LIỆU: 1.1. Mơi trường:  Nguồn C: glucose Theo các nghiên cứu đã được cơng bố nguồn carbon cĩ thể dùng để sản xuất acid fumaric là glucose, fructose đường nghịch đảo, saccharose, mật rỉ, maltose, tinh bột. Trong đĩ glucose là nguồn được sử dụng rộng rãi nhất. Chỉ tiêu chất lượng của Glucose:  Màu sắc: vàng nhạt hoặc khơng màu và trong suốt  Nồng độ: 75%-85%  Chỉ số DE: ≥ 60  pH: 4.5-6.0  Nguồn Nitơ: Nguồn nitơ dùng trong cơng nghệ lên men bao gồm 2 nhĩm chính: nguồn nitơ vơ cơ và nguồn nitơ hữu cơ. Để lên men sản xuất acid fumaric cĩ thể sử dụng nguồn Nitơ vơ cơ như urea. Chỉ tiêu chất lượng của Urea:  Hàm lượng Nitơ: ≥46.6%  Biuret: ≤1%  Độ ẩm: ≤1%  Kích thước tinh thể: 0.85mm-2.8mm.  Khống: MgSO4.7H2O, KH2PO4, , ZnSO4.7H2O Khống và ion kim loại cĩ vai trị rất quan trọng trong lên men.  Các ion kim loại là cofactor của các enzyme.  P là thành phần của acid nucleic, nucleoprotein, phospholipid, coenzyme, ATP…  S là thành phần của các aminoacid chứa S, một số vitamin. Chỉ tiêu chất lượng của khống:  MgSO4.7H2O: Bảng 1Bảng 1.1: Chỉ tiêu chất lượng của MgSO4.7H2O. Độ tinh khiết 99% MgSO4 48.30% Fe ≤ 0.0006% Pb ≤ 0.0006% Cl ≤ 0.0001% As ≤ 0.0001% pH 6 ÷ 8 Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 4  KH2PO4: Bảng 2Bảng 1.2: Chỉ tiêu chất lượng của KH2PO4.  ZnSO4.7H2O: Bảng 3Bảng 1.3: Chỉ tiêu chất lượng của ZnSO4.7H2O. Độ tinh khiết ≥ 98% Zn ≥ 37% As ≤ 0.0005% Cl ≤ 0.2% Cd ≤ 0.001% Pb ≤ 0.001% Fe ≤ 0.008% pH 4  Chất sinh trưởng: biotin Chất sinh trưởng ở vi sinh vật là những chất hữu cơ cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật nhưng tự nĩ khơng thể tổng hợp được, chất sinh trưởng cĩ hàm lượng rất nhỏ. Chất được xem là chất sinh trưởng cho vi sinh vật này cĩ thể khơng phải là chất sinh trưởng cho vi sinh vật khác. Nhu cầu về chất sinh trưởng phụ thuộc vào mơi trường sống, kiểu trao đổi chất của vi sinh vật. Trong bài này ta sử dụng chất sinh trưởng là biotin, tham gia vào coenzyme của các phản ứng chuyển nhĩm cacboxylic và CO2 (cĩ vai trị quan trọng trong chu trình Krebs). Độ tinh khiết 98% P2O5 ≥ 40% K2O ≥ 53% Pb ≤ 0.0001% As ≤ 0.0003% F ≤ 0.002% pH 8 ÷ 9 Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 5 Bảng 4 Bảng 1.4: Mơi trường nuơi cấy thu nhận bào tử nấm mốc. Bảng 5 Bảng 1.5: Mơi trường lên men thu nhận acid fumaric. Thành phần mơi trường Glucose Urea KH2PO4 MgSO4.7H2O ZnSO4.7H2O Biotin pH 10g/l 2g/l 0.6g/l 0.25g/l 0.088g/l 20µg/l 5.0 Thành phần mơi trường Glucose Urea KH2PO4 MgSO4.7H2O ZnSO4.7H2O Biotin pH 20g/l 2g/l 0.6g/l 0.25g/l 0.088g/l 20µg/l 5.0 Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 6 1.2. Giống vi sinh vật: Cĩ nhiều loại vi sinh vật cĩ khả năng lên men tạo acid fumaric. Thường sử dụng là giống nấm mốc Rhizopus.  Giới : Fungi  Ngành : Zygomycota  Lớp : Zygomycetes  Phân lớp : Incertae sedis  Bộ : Mucorales  Họ : Mucoraceae  Giống : Rhizopus  Loại : Rhizopus oryzae 1.2.1. Sơ lược chung về giống Rhizopus:  Rhizopus là nấm sợi được tìm thấy nhiều trên đất, trái cây hoặc rau quả bị thối rửa. phân động vật và trên bánh mì. Rhizopus là lồi gây bệnh phổ biến, chúng thường là nguyên nhân gây ra các bệnh nhiễm trùng nguy hiểm thậm chí gây chết người, một vài lồi thì gây bệnh cho cây trồng.  Giống Rhizopus gồm cĩ một vài lồi, trong đĩ phổ biến là Rhizopus oryzae, Rhizopus azygosporus, Rhizopus microsporus, Rhizopus schipperae, and Rhizopus stolonifer.  Một vài hình thái đặc trưng của lồi này là chiều dài của sợi rễ giả và của cuống mang bao tử, đường kính của túi bào tử, hình dạng của cuống …..  Sợi nấm cĩ vách hoặc khơng cĩ vách, đường kính 6-15 µm, cuống mang bào tử cĩ màu nâu và thường khơng phân nhánh. Chúng cĩ thể phát triển riêng lẻ hoăc thành từng cụm. Bào tử cĩ đường kính 40-350 µm nằm trên ngọn của cuống mang bào tử. Cuống mang bào tử đường kính 4-11 µm cấu tạo đơn bào, trong suốt hoặc nâu, bề mặt nhẵn hoặc cĩ nếp nhăn.  Lồi Rhizopus phát triển nhanh chĩng lấp đầy đĩa petri và trưởng thành sau 4 ngày, bề mặt giống như những sợi bơng. Lúc đầu nĩ cĩ màu trắng, sau đĩ chuyển sang màu xám rồi màu vàng nâu.  Nhiệt độ tối ưu thường 33oC- 40oC bắt đầu bị ức chế ở 45oC  Rhizopus thường được nuơi cấy, phát triển trên mơi trường dịch thể giàu dinh dưỡng và cĩ thơng khí, hệ enzym amylase tương đối hồn chỉnh, nên thường được dùng trong sản xuất rượu theo phương pháp amilose. 1.2.2. Rhizopus oryzae:  Hình thái và kích thước:  Khi phát triển mạnh trên mơi trường thạch trong đĩa petri tạo thành một lớp như sợi bơng lúc đầu màu trắng rồi nhanh chĩng chuyển sang màu xám và phát triển thành những điểm nhỏ màu đen, khi trưởng thành sẻ tạo bào tử.  Sợi nấm trong suốt, đường kính 5-15 µm, giống như dải lụa, phân nhánh khơng cĩ qui tắc, khơng cĩ vách ngăn hoặc cĩ vách ngăn nhưng thưa thớt.  Cuống mang bào tử và rễ giả trên thân của sợi nấm. Cuống mang bào tử dài 500 - 3500 µm hầu như khơng phân nhánh, màu vàng nâu đến nâu đậm. Bào tử cĩ đường kính 50- 200 µm với cuống bào tử hình ellipse. Rễ giả cĩ đường kính 150 - 300 µm cĩ thể trong suốt hoặc màu nâu đậm, xuất hiện ở chổ giao giữa sợi nấm và cuống nấm mang bào tử. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 7  Một vài tính chất sinh lí:  Nhiệt độ tối ưu: 35oC.  pH tối ưu: 5.0  Rhizopus oryzae thể lên men nhiều loại đường như glucose, fructose đường nghịch đảo, saccharose, maltose … và các nguyên liệu khác như mật rỉ, tinh bột…  Sinh trưởng và phát triển bằng hình thức kí sinh hoặc hoại sinh.  Sinh sản dưới 2 hình thức: vơ tính (hình thành bào tử qua quá trình giảm phân), hữu tính (hình thành giao tử đực và giao tử cái). 1.2.3. Tiêu chuẩn chọn giống vi sinh vật:  Khả năng sinh độc tố thấp.  Tạo ra sản phẩm chính cĩ hàm lượng vượt trội so với hàm lượng sản phẩm phụ.  Tốc độ sinh trưởng mạnh.  Hoạt tính trao đổi chất ổn định. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 8 PHẦN 2: QUI TRÌNH SẢN XUẤT 2.1. Sơ đồ qui trình sản xuất: Hình 2.1: Sơ đồ qui trình cơng nghệ. Nguyên liệu Chuẩn bị mơi trường nhân giống Chuẩn bị mơi trường lên men Tiệt trùng Tiệt trùng Nhân giống Giống VSV Lọc Bào tử Bã Lên men Hấp phụ Giải hấp phụ Kết tinh Ly tâm Sấy Chất thải lỏng Sản phẩm Bào tử Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 9 2.2. Thuyết minh qui trình: 2.2.1. Chuẩn bị mơi trường:  Mục đích: chuẩn bị. Tạo ra hỗn hợp đầy đủ và cân đối các chất dinh dưỡng cần thiết cho VSV trong quá trình lên men.  Các nguyên tố cơ bản: C, H, O, N  Yếu tố sinh trưởng: biotin.  Các loại khống: đa lượng, vi lượng.  Các biến đổi:  Hĩa học: cĩ sự phân li thành các ion của các muối.  Hố lý: sự hịa tan các chất vào mơi trường tạo nên hệ đồng nhất.  Thiết bị phối trộn: Hình 2.2: Thiết bị phối trộn.  Cách thực hiện:  Cân chính xác riêng biệt từng thành phần dinh dưỡng của mơi trường theo hàm lượng đã định.  Hịa tan các muối khống riêng sau đĩ bổ sung vào mơi trường.  Trộn lẫn tất cả các thành phần dinh dưỡng với nhau theo tỉ lệ đã định, cho vào bồn phối trộn và thêm đủ thể tích nước cất.  Kiểm tra pH bằng máy đo pH và hiệu chỉnh về pH bằng 5.0.  Mơi trường được giữ ở nhiệt độ 35oC.  Thơng số cơng nghệ:  pH bằng 5.0.  Nhiệt độ 35oC. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 10 2.2.2. Tiệt trùng:  Mục đích: bảo quản, chuẩn bị. Tiêu diệt các VSV cĩ trong mơi trường sao cho ít làm biến đổi các thành phần của mơi trường nhất.  Các biến đổi:  Vật lý: tạo gradient nhiệt độ, cĩ sự thay đổi về thể tích, khối lượng, tỉ trọng.  Hĩa học: các thành phần trong mơi trường cĩ thể phản ứng với nhau.  Hĩa lý: cĩ sự bốc hơi nước.  Sinh học: các VSV bị tiêu diệt.  Hố sinh: các enzym bị vơ hoạt.  Thiết bị:  Thiết bị tiệt trùng dạng bản mỏng: Hình 2.3: Thiết bị tiệt trùng dạng bản mỏng.  Thiết bị gồm những tấm bản được đặt sát vào nhau. Độ dày của các tấm bản rất mỏng và trên bề mặt của chúng cĩ các khe lồi lõm nhằm mục đích làm tăng bề mặt và hệ số truyển nhiệt. Khi ghép các tấm bản lại với nhau trên bộ khung của thiết bị sẽ tạo nên hệ thống đường dẫn vào và ra cho thực phẩm và chất tải nhiệt. Tuỳ theo năng suất của thiết bị và nhiệt độ thanh trùng, tiệt trùng cần đạt mà các nhà sản xuất sẽ chọn phương án bố trí sơ đồ dịng chảy thực phẩm và tác nhân nhiệt trong hệ thống thiết bị.  Thơng số cơng nghệ:  Nhiệt độ: 121oC.  Thời gian: 10 phút. 2.2.3. Nuơi cấy trên mơi trường thu nhận bào tử nấm mốc:  Mục đích: nhân giống. Thu nhận bào tử nấm sử dụng cho quá trình lên men. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 11  Các biến đổi:  Sinh học:  Tế bào nấm mốc phát triển tăng sinh khối, các sợi nấm mọc dài ra sau đĩ hình thành bào tử (con đường sinh sản vơ tính).  Sự hoạt hĩa và sinh tổng hợp enzym của nấm mốc.  Hĩa sinh: các phản ứng xảy ra với sự tham gia của enzym do nấm mốc tổng hợp.  Vật lý: nhiệt độ tăng do quá trình trao đổi chất của nấm mốc.  Hĩa lý: cĩ sự bốc hơi nước do nhiệt độ tăng.  Thiết bị: Hình 2.4: Thiết bị nuơi cấy nấm mốc thu nhận bào tử.  Thể tích của bình nuơi cấy: 3m3 với thể tích hoạt động là 2m3  Tốc độ quay: 215 vịng/phút.  Điều kiện hiếu khí: khơng khí vơ trùng được sục vào liên tục từ phía đáy thiết bị với vận tốc 2.0 lít/lít/phút.  Cách thực hiện:  Cho mơi trường nuơi cấy thu nhận bào tử vào bình nuơi cấy cĩ cánh khuấy trong điều kiện vơ trùng.  Cấy bào tử giống vào mơi trường nuơi cấy.  Mơi trường nuơi cấy được sục khí liên tục để đảm bảo điều kiện nuơi cấy hiếu khí.  Thơng số cơng nghệ:  Nhiệt độ: 35oC.  pH 5.0.  Thời gian nuơi cấy: 2 ngày. 2.2.4. Lọc:  Mục đích: Thu nhận bào tử dưới dạng huyền phù sử dụng cho quá trình lên men thu nhận acid fumaric.  Các biến đổi:  Khi dịch nuơi cấy đi qua thiết bị lọc phần chất lỏng cĩ chứa bào tử sẽ đi qua màng lọc, các sợi nấm bị giữ lại trên màng lọc. Kết quả là ta thu được bào tử ở dạng huyền phù.  Vật lý: độ nhớt của pha lỏng thu được giảm. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 12  Hĩa lý: cĩ sự tách dịch nuơi cấy thành hai phần: phần lỏng là huyền phù bào tử, phần rắn là các sợi nấm trên màng lọc.  Thiết bị:  Thiết bị: thiết bị lọc ép sử dụng đĩa lọc. 1-cửa quan sát, 2-thân thiết bị, 3-đĩa lọc, 4-ống trung tân để thu hồi dịch lọc, 5-động cơ, 6-bộ phận truyền động, 7-khớp trục Hình 2.5: Thiết bị lọc ép sử dụng đĩa lọc.  Nguyên tắc hoạt động: đầu tiên bơm dịch sau khi nuơi cấy vào thiết bị. Các sợi nấm cĩ kích thước lớn sẽ được giữ lại trên bề mặt vách ngăn của các đĩa lọc. Pha lỏng cĩ chứa bào tử sẽ chui qua vách ngăn vào kênh dẫn ở bên trong đĩa lọc rồi chảy tập trung về ống thu hồi (4) để thốt ra ngồi. Trong quá trình lọc, ống thu hồi (4) và các đĩa lọc cĩ thể xoay được nhờ động cơ (5).  Thơng số cơng nghệ:  Kích thước lỗ của vách ngăn lọc được chọn: 240µm (vì bào tử cĩ kích thước 50- 200µm). 2.2.5. Lên men:  Mục đích: chuyển hĩa cơ chất (glucose) thành acid fumaric.  Các biến đổi:  Vật lý: nhiệt độ tăng do quá trình trao đổi chất của VSV.  Hĩa học: hàm lượng cơ chất (glucose) và các thành phần dinh dưỡng giảm xuống, hàm lượng acid fumaric và các sản phẩm phụ như acid malic, ethanol, glycerol … tăng lên.  Hĩa sinh: xảy ra các phản ứng do enzyme xúc tác.  Sinh học: sinh khối của nấm mốc tăng lên. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 13  Thiết bị:  Thiết bị lên men: rotating biological contactor. Hình 2.6: Rotating biological contactor.  Là thiết bị lên men dạng hình trụ cĩ thể tích 20m3 với 9m3 hoạt động, đường kính 2,7m, dài 3,5m.  Trên trục cĩ gắn các đĩa plastic, trục quay đươc nhờ một động cơ.  Các đĩa plastic chế tạo từ polysulfone cĩ tác dụng như là chất mang cho nấm mốc, khi đĩa quay thì một phần đĩa nằm trong mơi trường lên men, một phần nằm trong khơng gian phía trên chứa khơng khí.  Cơ chế sinh tổng hợp acid fumaric từ glucose: Hình 2.7: Con đường chuyển hĩa glucose thành acid fumaric. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 14  Glucose được chuyển hĩa thành pyruvic acid theo chu trình đường phân tạo ra 2 phân tử acid pyruvic và 2 ATP.  Theo nghiên cứu của Overman và Romano 1969, tiếp theo là tổng hợp acid oxaloacetic theo cơ chế C3 cộng C1 bằng cách gắn CO2 vào acid pyruvic nhờ xúc tác của enzyme pyruvate carboxylase. Sau đĩ là sự chuyển hĩa acid oxaloacetic thành acid malic NAD-malate dehydrogenase và sự chuyển hĩa acid malic thành acid fumaric nhờ enzyme fumarase.  Cũng theo nghiên cứu trong quá trình tổng hợp acid fumaric đã xảy ra đồng thời theo 2 con đường: citrate cycle và reductive carboxylation. (Kenealy et al. (1986))  Cách thực hiện:  Dùng 1m3 huyền phù bào tử cĩ nồng độ 106 bào tử/ml cho vào thiết bị lên men chứa 8m3 mơi trường lên men.  pH 5.0 được giữ trong suốt quá trình lên men bằng CaCO3.  Điều kiện nuơi cấy hiếu khí: khơng khí vơ trùng được thổi vào khoảng khơng gian phía trên của thiết bị lên men với tốc độ 1lít/lít/phút.  Sau khoảng thời gian nuơi cấy nấm mốc sẽ phát triển thành một lớp màng trên bề mặt của các đĩa, khi đĩ mơi trường sẽ đươc chuyển sang mơi trường giới han N giới hạn, và khơng bổ sung CaCO3, dịch lên men sau đĩ được bơm vào vào thiết bị hấp phụ.  Thơng số cơng nghệ:  Nhiệt độ nuơi cấy 35oC.  pH 5.0.  Tốc độ quay của đĩa là 20 vịng/phút.  Thời gian nuơi cấy 60h. 2.2.6. Hấp phụ:  Mục đích: khai thác. Tách acid fumaric từ dịch lên men.  Các biến đổi:  Hĩa học: pH trong dịch lên men giảm do acid fumaric bị hấp phụ lên nhựa, nồng độ acid fumaric trên nhựa tăng lên rồi bão hịa.  Vật lý: cĩ sự ma sát giữa dịng lưu chất và cột hấp phụ.  Hĩa lý: sự hấp phụ của acid fumaric lên bề mặt nhựa. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 15  Thiết bị: Hình 2.8: Cột hấp phụ.  Đường kính cột: đường kính trong 0.2m, đường kính ngồi 0,22m.  Chiều dài cột: 1.5m.  Số lượng cột hấp thu: 3 cột.  Cách thực hiện: cho nhựa hấp phụ PVP-425 vào cột hấp phụ, nhựa đươc cố định lên bề mặt trong của cột. Dịch lên men chứa acid fumaric được bơm tuần hồn vào cột hấp phụ, acid fumaric được hấp phụ lên nhựa cho đến khi cột hấp phụ bão hịa (khi nồng độ acid fumaric tại đầu ra của cột hấp phụ bằng 95% nồng độ acid fumaric ở đầu vào của cột hấp phụ). Khi đĩ cột bão hịa được tháo ra để thu hồi acid fumaric và lắp cột hấp phụ mới vào hệ thống.  Thơng số cơng nghệ:  Tốc độ dịng chảy: 0.5 m/s. 2.2.7. Giải hấp phụ:  Mục đích: Thu nhận acid fumaric từ nhựa hấp phụ dưới dạng dung dịch bằng cách rửa cột hấp phụ bằng dung dịch NaOH (0.4 M).  Các biến đổi:  Hĩa học: phản ứng giữa acid fumaric và NaOH tạo thành muối natri fumarat.  Hĩa lý: sự giải hấp phụ của acid fumaric.  Cách thực hiện: các cột bão hịa sau khi tháo ra sẽ được đưa vào hệ thống rửa, dung dịch NaOH(0.4M) được bơm vào cột theo hướng thẳng đứng từ trên xuống theo chiều của cột, dung dịch chảy ra từ cột sẽ được thu hồi trong bình phản ứng cĩ cánh khuấy.  Thơng số cơng nghệ:  Tốc độ dịng chảy của dd NaOH: 0.2m/s 2.2.8. Kết tinh:  Mục đích: Thu nhận acid fumaric dưới dạng tinh thể với độ tinh khiết cao bằng dung dịch HCl (0.5M)  Các biến đổi:  Hĩa học: phản ứng trung hịa giữa HCl và NaOH dư, phản ứng giữa HCl và natri fumarat tao thành acid fumaric và NaCl.  Hĩa lý: sự kết tinh acid fumaric tao thành do độ tan thấp (5g/l). Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 16  Cách thực hiện: cho từ từ dung dich HCl vào bình phản ứng cĩ cánh khuấy, bật cánh khuấy phân bố đều HCl vào dung dịch để phản ứng diễn ra tốt hơn, tiếp tục cho thêm HCl từ từ đến khi lượng kết tủa khơng tăng thêm thì kết thúc quá trình. Hình 2.9: Thiết bị phản ứng cĩ cánh khuấy.  Thiết bị: bình phản ứng cĩ cánh khuấy và vỏ áo điều chỉnh nhiệt độ.  Thơng số cơng nghệ:  Nhiệt độ: 8oC-10oC.  Tốc độ cánh khuấy: 50 vịng/phút. 2.2.9. Ly tâm:  Mục đích: khai thác. Tách kết tủa acid fumaric ra khỏi dung dịch.  Các biến đổi:  Hĩa lý: cĩ sự tách riêng pha rắn và pha lỏng.  Thiết bị:  Thiết bị: thiết bị lọc li tâm tháo bã bằng piston. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 17 Hình 2.10: Thiết bị lọc ly tâm.  Thơng số cơng nghệ:  Tốc độ quay: 800 vịng/phút. 2.2.10. Sấy:  Mục đích: tách nước ra khỏi tinh thể acid fumaric, làm giảm hàm ẩm, tăng thời gian bảo quản.  Các biển đổi:  Vật lí: nhiệt độ tăng, tạo gradient nhiệt độ ở mặt ngồi và mặt trong của vật liệu, vật liệu giảm thể tích, giảm khối lượng, tăng khối lượng riêng.  Hĩa học: độ ẩm nguyên liệu giảm.  Hĩa lí: cĩ sự bốc hơi nước.  Thiết bị:  Thiết bị: sử dụng thiết bị sấy khay. 1-bộ phận gia nhiệt, 2-quạt, 3-tấm chặn để hiệu chỉnh lưu lượng tác nhân sấy, 4-khay đựng nguyên liệu, 5-cửa vào của dịng tác nhân sấy, 6-cửa thốt của dịng tác nhân sấy. Hình 2.11: Thiết bị sấy khay.  Thơng số cơng nghệ:  Thời gian sấy: 1-2 phút.  Nhiệt độ của dịng tác nhân sấy: 90-100oC.  Tốc độ dịng tác nhân sấy: 3-5m/s.  Độ ẩm vật liệu sau khi sấy: 5%. PHẦN 3: SẢN PHẨM 3.1. Giới thiệu chung:  Tên gọi khác trans-butenedioic.  Acid fumaric là một hợp chất hữu cơ. Hợp chất thuộc loại axit dicarboxylic. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 18  CTPT: C4H4O4. Hình 12Hình 3.1: Cơng thức cấu tạo của acid fumaric.  Acid fumaric được sử dụng trong thực phẩm để điều chỉnh độ chua. Trong danh sách phụ gia acid fumaric được ký hiệu là E297.  Acid fumaric được tìm thấy trong địa y, nấm tai trịn và các loại rêu.  Acid fumaric được sử dụng trong thực phẩm từ năm 1946. Nĩ thường được sử dụng trong đồ uống và các loại bánh nướng. Sử dụng trong thực phẩm acid fumaric cần cĩ độ tinh khiết cao.  Acid fumaric có rất nhiều tiềm năng để ứng dụng trong công nghiệp. Nó được xem như nguyên liệu mở đầu cho các phản ứng polimer hóa và các phản ứng ester hóa. Đặc biệt là trong sản xuất nhựa polyester . 3.2. Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm:  Nhiệt độ nĩng chảy: 286 – 3030 C  Độ tinh sạch acid fumaric cĩ thể lên đến 99 - 99.5 %.  Kim loại nặng: ≤ 0.001 %  Sulfate: ≤ 0.004 %  Assen: ≤ 0.0002%  Acid maleic: ≤ 0.1 %  Hàm ẩm : ≤ 0.5 % 3.3. Ứng dụng của acid fumaric: o Với cấu trúc như vậy, acid fumaric có rất nhiều tiềm năng để ứng dụng trong công nghiệp. Nó được xem như nguyên liệu mở đầu cho các phản ứng polimer hóa và các phản ứng ester hóa. Đặc biệt là trong sản xuất nhựa polyester . o Acid fumaric lại có những tính năng mà các acid hữu cơ khác không có để thưc hiện các phản ứng polymer hóa. Ngoài ra, cấu trúc của polymer được cải thiện đáng kể khi acid fumaric được sử dụng đặc biệt là về độ cứng của polymer. o Ngoài ứng dụng trong công nghệ sản xuất polymer, acid fumaric còn có 2 tiềm năng khác được ứng dụng với 2 mức độ tinh khiết khác nhau của acid fumaric. o Đầu tiên nó được sử dụng như dược phẩm để chữa trị bệnh vẩy nến, một bệnh về da. Bệnh nhân mắc phải chứng bệnh này cơ thể của họ không tự sinh tổng hợp Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 19 được acid fumaric. Do đó người bệnh phải uống acid fumaric ở dạng acid fumaric monoethyl hoặc este dimethyl để chữa bệnh. o Tiềm năng thứ hai của acid fumaric là bổ sung vào trong thức ăn gia súc để giảm lượng khí thải metan (McGinn et al. 2004). Những nghiên cứu gần đây cho thấy có thể giảm được lượng rất lớn khí thải từ các trang trại nếu acid fumaric được bổ sung trong khẩu phần ăn hằng ngày của vật nuôi (lean tới 70%). Theo thống ke lượng khí thải metan do các trang trại tạo ra chiếm khoảng 14% lượng khí thải metan từ hoạt động của con người. Như vậy, acid fumaric có tiềm năng rất lớn để cải thiện ôi nhiễm môi trường. PHẦN 4: THÀNH TỰU CƠNG NGHỆ. 4.1. Sản xuất axit fumaric từ axit maleic bằng phản ứng đồng phân hĩa:  Phản ứng đồng phân hĩa tạo axit fumaric từ axit maleic là phản ứng hai chiều. Tăng tốc độ phản ứng tạo axit fumaric và hạn chế phản ứng tạo trở lại axit maleic là cần thiết để tăng hiệu xuất thu hồi axit fumaric từ axit maleic.  Enzyme thực hiện chuyển hĩa phản ứng đồng phân này là maleat isomerase (maleat isomerase-cis-trans), thực hiện đồng phân hĩa axit maleic tạo axit fumaric. Tuy nhiên, maleat isomerase là enzyme khơng ổn định ngay ở nhiệt độ vừa phải. Do đĩ cần maleat isomerase chịu nhiệt cao để tăng hiệu xuất thu hồi axit fumaric từ axit maleic .  Enzyme maleat isomerase ổn định ở nhiêt độ cao cĩ nguồn gốc từ Bacillus stearothermophilus, Bacillus brevis, và Bacillus sp. MI-105 cĩ thể cải thiện quá trình sản xuất acid fumaric.  Trong một nghiên cứu gần đây đã sử dụng Pseudomonas alcaligenes XD-1. Chúng tạo maleat isomerase chịu nhiệt khá tốt (khoảng 700C trong 1 giờ) và enzyme fumarase gần như bị vơ hoạt. Enzyme fumarase xúc tác phản ứng chuyển hĩa axit fumaric thành axit L- malic bị vơ hiệu hĩa càng làm tăng hiệu suất thu hồi axit fumaric.  Nhiệt độ khơng ảnh hưởng nhiều đến hoạt tính của isomerase maleat từ Pseudomonas alcaligenes XD-1. Ngồi ra, khi cation canxi đã được thêm vào trong quá trình đồng phân hĩa thì sự ổn định về nhiệt độ của isomerase maleat tăng lên đáng kể.  Với việc sử dụng Pseudomonas alcaligenes XD-1, hiệu suất đồng phân hĩa tạo axit fumaric từ axit maleic được cải thiện đáng kể và hiệu suất này cĩ thể đạt đến 95 %. 4.2. Sản xuất đồng thời axit fumaric và chitin từ một lọai vật liệu lignocellulosic giàu nitơ – phân bị sữa – sử dụng Rhizopus oryzae ATCC 20344.  Phân bĩn động vật giàu carbohydrates và protein là những nguồn tiềm năng của nguyên liệu để sản xuất axit fumaric. Axit fumaric được dùng rộng rãi trong cơng nghệ thực phẩm như một chất phụ gia để tạo mùi vị và bảo quản . Rhizopus oryzae ATCC 20344 là một lọai nấm được sử dụng nhiều trong cơng nghệ sản xuất axit fumaric , ngồi ra trong sinh khối của nĩ cũng chứa hàm lượng chitin cao . Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 20  Việc sản xuất đồng thời các chất cĩ giá trị sinh học như axit fumaric và chitin cĩ thể làm cho việc sử dụng phân bĩn cĩ lợi hơn và hiệu quả hơn . Quá trình lên men được phát triển một cách hiệu quả nhờ sử dụng nguồn nitơ và nguồn cacbonhydrat trong phân bĩn . Bảng 6Bảng 4.1: Các đặc điểm của phân bị sữa. Thành phần Phân bị sữa Chất khơ, % Protein thơ, % chất khơ Cellulose, % chất khơ Hemicellulose, % chất khơ N, % chất khơ C, % chất khơ 15.50 ± 0.09 16.44 ± 0.53 21.89 ± 0.38 12.47 ± 0.32 2.63 ± 0.09 45.49 ± 0.30  Các bước tiến hành : tách khuẩn lạc ; nuơi cấy trên phân lỏng để sản xuất sinh khối; sản xuất axit fumaric từ dịch thủy phân . Ở điều kiện tối ưu , hệ thống lên men cĩ năng suất tạo axit fumaric là 31%. Cơng nghệ lên men thực phẩm Acid Fumaric 21 PHẦN 5: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự, Cơng nghệ chế biến thực phẩm, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM. 2009. [2]. Lê Ngọc Tú, Hĩa sinh cơng nghiệp, nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội. [3]. H-J. Rehm and G. Reed cooperation with A. Puhler and P. Stadler, Biotechnology, Volume 6: Products of Primary Metabolism, VCH Publisher, Weinheim, 1996. [4]. NINGJUN CAO,* JIANXIN DU, C. S. GONG, AND G. T. TSAO, Simultaneous Production and Recovery of Fumaric Acid from Immobilized Rhizopus oryzae with a Rotary Biofilm Contactor and an Adsorption Column, Copyright 1996, American Society for Microbiology. [5]. CAROL A. ROA ENGEL & ADRIE J. J. STRAATHOF & TIEMEN W. ZIJLMANS &WALTER M. VAN GULIK & LUUK A. M. VAN DER WIELEN, Fumaric acid production by fermentation, Appl Microbiol Biotechnol, 2008.