Đồ án chuyên ngành: Thiết kế phân xưởng lên men sản xuất L-lysine từ rỉ đường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tổng hợp đồ án chuyên ngành thiết kế phân xưởng lên men sản xuất L-lysine từ rỉ đường. Hướng dẫn chi tiết quy trình công nghệ, cân bằng sản phẩm và tính toán

• Tác giả: Nguyễn Thị Hồng Tươi
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thanh Hà
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Thiết kế phân xưởng lên men sản xuất L-lysine từ rỉ đường
• Loại tài liệu: Đồ án chuyên ngành
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế phân xưởng sản xuất L lysine từ rỉ đường

L-lysine là một axit amin thiết yếu, không thể tự tổng hợp trong cơ thể người và động vật. Nhu cầu bổ sung L-lysine ngày càng tăng cao trong ngành thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Phương pháp sản xuất công nghiệp chủ yếu hiện nay là lên men vi sinh vật. Nguyên liệu chính được sử dụng là rỉ đường, một sản phẩm phụ giá rẻ từ ngành đường. Thiết kế một phân xưởng sản xuất hiệu quả đòi hỏi sự tích hợp đồng bộ giữa quy trình công nghệ, thiết bị và tối ưu hóa các thông số. Mục tiêu là đạt công suất lớn, chất lượng sản phẩm cao và chi phí sản xuất thấp.

1.1. Vai trò và ứng dụng của L lysine trong đời sống

L-lysine tham gia vào nhiều quá trình sinh học quan trọng như tổng hợp protein, hấp thu canxi và sản xuất enzyme. Trong chăn nuôi, bổ sung L-lysine vào thức ăn giúp tăng trưởng nhanh, cải thiện tỷ lệ chuyển đổi thức ăn. Đối với con người, nó hỗ trợ phát triển cơ bắp, phục hồi sau phẫu thuật và tăng cường miễn dịch. Ứng dụng rộng rãi này tạo ra nhu cầu sản xuất L-lysine ở quy mô công nghiệp lớn.

1.2. Các phương pháp sản xuất L lysine từ nguyên liệu sinh học

Có ba phương pháp lên men chính được áp dụng. Phương pháp batch đơn giản nhưng năng suất hạn chế. Phương pháp fed-batch được ưa chuộng nhất trong công nghiệp, cho phép kiểm soát tốt quá trình và đạt nồng độ sản phẩm cao. Phương pháp repeated fed-batch cải tiến hơn nữa bằng cách tái sử dụng một phần dịch lên men. Rỉ đường và tinh bột ngô là hai nguồn carbon chính, cung cấp đường lên men cho vi sinh vật.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất L lysine

Hiệu quả của quá trình sản xuất L-lysine bị chi phối bởi nhiều yếu tố phức tạp. Chủng vi sinh vật đóng vai trò quyết định, thường là các dòng biến đổi của Corynebacterium glutamicum. Thành phần và chất lượng môi trường lên men, đặc biệt là nguồn carbon từ rỉ đường, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất. Các điều kiện quá trình như nhiệt độ, pH, tốc độ khuấy và sục khí cần được kiểm soát chặt chẽ. Sự tương tác giữa các yếu tố này đòi hỏi một thiết kế phân xưởng phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả tối ưu.

2.1. Tác động của chủng vi sinh vật và môi trường lên men

Chủng Corynebacterium glutamicum có khả năng chuyển hóa đường từ rỉ đường thành L-lysine hiệu quả. Tuy nhiên, nồng độ đường ban đầu quá cao (trên 120 g/L glucose) có thể gây ức chế sinh trưởng vi khuẩn. Môi trường cũng cần cung cấp đầy đủ nguồn nitơ và các nguyên tố vi lượng. Rỉ đường cần được xử lý đúng cách để loại bỏ các chất ức chế tiềm tàng và ổn định thành phần.

2.2. Các thách thức trong quá trình lên men công nghiệp

Thách thức lớn nhất là kiểm soát sự sinh trưởng và sản xuất trong điều kiện quy mô lớn. Nhu cầu oxy của vi khuẩn cao, đòi hỏi hệ thống sục khí và khuấy trộn hiệu quả. Quá trình sinh nhiệt cần được làm mát liên tục. Ngoài ra, việc duy trì môi trường vô khuẩn, tránh nhiễm tạp trong suốt chu kỳ lên men dài là yếu tố then chốt để đạt được sản lượng và chất lượng sản phẩm mong muốn.

III. Giải pháp thiết kế phân xưởng sản xuất L lysine từ rỉ đường hiệu quả

Giải pháp thiết kế tập trung vào việc xây dựng một dây chuyền khép kín, đồng bộ và tự động hóa cao. Quy trình công nghệ được chia thành các công đoạn rõ ràng: chuẩn bị nguyên liệu, xử lý rỉ đường và tinh bột ngô, lên men, và thu hồi sản phẩm. Thiết kế ưu tiên sử dụng phương pháp lên men fed-batch trong các bồn phản ứng lớn để tối ưu năng suất. Việc lựa chọn thiết bị như bồn lên men, hệ thống CIP (vệ sinh tại chỗ), và thiết bị ly tâm phải phù hợp với công suất và đảm bảo hiệu quả vận hành. Tính toán cân bằng vật chất chính xác là nền tảng cho toàn bộ thiết kế.

3.1. Quy trình công nghệ sản xuất L lysine từ rỉ đường

Quy trình bắt đầu bằng việc pha loãng rỉ đường, điều chỉnh pH và thanh trùng. Tinh bột ngô được hồ hóa, dịch hóa bằng enzyme để tạo glucose. Hai nguồn carbon này được phối trộn với các chất dinh dưỡng. Dịch lên men được tiệt trùng trước khi đưa vào bồn phản ứng. Giống vi sinh vật được hoạt hóa và cấy vào. Quá trình lên men diễn ra được kiểm soát chặt, sau đó dịch lên men được ly tâm, lọc và kết tinh để thu L-lysine.

3.2. Thiết kế và lựa chọn thiết bị cho phân xưởng

Thiết bị trung tâm là bồn lên men, có dung tích phù hợp với công suất 40000 m³ dịch/năm, trang bị hệ thống khuấy, sục khí và jacket làm mát. Các thiết bị tiền xử lý gồm bồn chứa, máy khuấy, bơm định lượng. Hệ thống CIP đảm bảo vệ sinh. Thiết bị hậu xử lý gồm máy ly tâm, máy lọc và hệ thống sấy bay hơi. Việc lựa chọn vật liệu (thường là thép không gỉ) và tính toán công suất từng thiết bị phải đảm bảo tính liên tục của dây chuyền.

IV. Kết luận và ứng dụng của phân xưởng sản xuất L lysine từ rỉ đường

Thiết kế phân xưởng sản xuất L-lysine từ rỉ đường là một giải pháp kỹ thuật-kinh tế khả thi. Nó tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm giá rẻ, áp dụng công nghệ lên men tiên tiến để tạo ra sản phẩm có giá trị cao. Phân xưởng được thiết kế hiệu quả sẽ đảm bảo sản lượng ổn định, chất lượng L-lysine đạt tiêu chuẩn và tối ưu chi phí vận hành. Dự án không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp sinh học và chăn nuôi tại Việt Nam.

4.1. Hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của phân xưởng

Về kỹ thuật, quy trình fed-batch và thiết bị đồng bộ giúp đạt năng suất L-lysine cao, kiểm soát tốt quá trình. Về kinh tế, việc sử dụng rỉ đường làm giảm đáng kể chi phí nguyên liệu so với các nguồn đường tinh khiết. Công suất lớn 40000 m³ dịch lên men mỗi năm cho phép hạ giá thành sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường. Hiệu quả đầu tư được đảm bảo thông qua tối ưu hóa quy trình và giảm hao hụt.

4.2. Ứng dụng và hướng phát triển trong tương lai

Sản phẩm L-lysine từ phân xưởng được ứng dụng rộng rãi trong thức ăn chăn nuôi, thực phẩm chức năng và dược phẩm. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải tiến chủng vi sinh vật để tăng hiệu suất chuyển hóa, áp dụng công nghệ lên men liên tục hoặc bán liên tục để nâng cao hơn nữa năng suất. Ngoài ra, tích hợp các giải pháp xử lý môi trường và tận dụng phụ phẩm sẽ hướng tới mô hình sản xuất tuần hoàn, bền vững hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI. Giới thiệu về Lysine .Vai trò của L-lysine .Tình hình phát triển của công nghiệp sản xuất L-lysine trên thế giới………….Các phương pháp sản xuất L-lysine. Sử dụng vi sinh vật để lên men sản xuất L-lysine.

Chủng sản xuất .Các yếu tố ảnh hưởng quá trình lên men L-lysine. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH. Đặc tính kỹ thuật của chủng. Đặc điểm của quá trình lên men.

Quy trình công nghệ .Chuẩn bị môi trường lên men .Thanh trùng môi trường. Hoạt hoá giống .Thu hồi sản phẩm. CÂN BẰNG SẢN PHẨM. Cân bằng sản phẩm .Nhân giống thứ cấp bậc 2 .Nhân giống thứ cấp bậc 1 .Nhân giống sơ cấp.

Chuẩn bị môi trường lên men. 31 2 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 3. Thành phần môi trường lên men. Xử lý rỉ đường.

Xử lý tinh bột ngô. Nguồn Nitơ và các chất dinh dưỡng khác. Nhu cầu Oxy. Nguyên liệu cho quá trình CIP (Cleaning in plance).

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ. Thiết bị lên men chính. Tính toán phần thiết bị. Tính toán sục khí và khuấy trộn.

Lựa chọn các thiết bị khác. 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 54 3 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Cấu trúc phân tử lysine.

Sự tăng trưởng trong sản xuất L-lysine trên toàn cầu [4]. Hình ảnh vi khuẩn C. Con đường sinh tổng hợp L-lysine ở chủng Corynebacterium glutamicum [9]. Sinh tổng hợp lysine nhờ chủng C.

glutamicum Lys-12 sử dụng rỉ đường 19 [9]. Sơ đồ công nghệ sản xuất L-lysine từ rỉ đường [2,9]. Cấu tạo của thiết bị lên men [1]. Cánh khuấy loại đĩa tuabin và tiêu chuẩn thiết kế (Rushton impeller) [11] 42.

Nhu cầu oxy của chủng C. glutamicum bacterium lên men L-lysine. Quan hệ giữa Power number và Reynold. Quan hệ giữa Na và tỉ lệ Pg/Pu.

48 4 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Hàm lượng lysine trong 100g phần ăn được của một số thực phẩm [3]. Thành phần chính trong rỉ đường mía [2]. Thành phần các chất tro trong rỉ đường mía (%) [2].

Thành phần và nồng độ môi trường nhân giống thứ cấp bậc 2. Thành phần và nồng độ môi trường nhân giống thứ cấp bậc 1. Thành phần và nồng độ môi trường hoạt hoá và nhân giống sơ cấp. Thành phần môi trường lên men.

Tổng kết nhu cầu nguyên liệu. Các thông số của thiết bị lên men chính. Các thiết bị phụ. 51 5 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 PHẦN 1.

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu về Lysine 1. Tính chất Lysine ký hiệu Lys, còn có tên gọi khác là 2,6-diaminohexanoic acid, có công thức phân tử là C6H14N2O2, khối lượng phân tử là 146.19 g/mol, có điểm o đẳng điện pI= 9.59, nhiệt độ phân huỷ 224-225 C. Lysine là một α-axit amin, một trong những một axit amin không thay thế, thiết yếu cho hoạt động sống của con người và động vật.

Lysine có thể tồn tại ở hai dạng đồng phân lập thể là D- lysine và L- lysine. Đồng phân L-lysine là dạng hoạt động sinh học được tìm thấy trong các tế bào sống [1]. L-lysine D-lysine Hình 1. Cấu trúc phân tử lysine Lysine dễ tan trong nước, trong acid và kiềm, khó tan trong cồn và không tan trong ete.

Lysine tinh thể có màu trắng, hình lục giác, có vị chát. Lysine là một axit amin nên mang đầy đủ tính chất của axit amin, tham gia phản ứng chuyển vị amino để tạo thành các amino axit khác, tham gia phản ứng tổng hợp protein trong tế bào. Vai trò của L-lysine Trong cơ thể, lysine vừa đóng góp phần xây dựng tế bào, vừa đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá các chất. Không chỉ có những giá trị sinh học của protein, lysine còn thực hiện nhiều chức năng sinh hoá khác như: có tác dụng giúp tiết các enzyme dịch vị, đồng thời góp phần vào việc vận chuyển canxi trong tế bào, làm cân bằng nito trong cơ thể.

Thiếu lysine, cơ thể người sẽ không 6 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 hoạt động được bình thường, đặc biệt với lứa tuổi dậy thì, thiếu lysine sẽ dẫn đến hậu quả chậm lớn, còi cọc, trí tuệ kém phát triển. Ngoài ra, lysine còn góp phần giúp con người cải thiện lo âu, và các triệu chứng tâm lý khác, giảm thiểu các vấn đề liên quan đến bệnh tiểu đường. Lysine còn đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ canxi, tạo cơ bắp, phục hồi sau chấn thương hay sau phẫu thuật. Lysine còn tham gia vào quá trình tổng hợp enzyme, hormone và kháng thể.

Do đó, L-Lysine thường được bổ sung vào khẩu phần ăn của trẻ bằng cách cho thêm vào thức ăn hay dưới dạng viên uống. Nhu cầu lysine của người lớn 30 mg/kg/ngày và trẻ em là 35 mg/kg/ngày [2]. Trong các loại thức ăn từ ngô, gạo, khoai lang, sữa, … có hàm lượng lysine khá thấp, L-lysine được bổ sung vào thức ăn để làm tăng giá trị sử dụng. Chẳng hạn như, bổ sung 0.5% L-lysine thì có thể làm tăng giá trị sử dụng protein tương đương 20% bột đậu nành.9% L-lysine vào khẩu phần thức ăn cho gà thì tăng khối lượng 28.

Nhờ vậy, có thể giảm chi phí thức ăn tới 18% nếu bổ sung 1 kg L-lysine vào 1 tấn thức ăn cho lợn. Trong chăn nuôi, sử dụng L-lysine thô có lợi hơn so với L-lysine tinh khiết vì còn chứa các vitamin khác như B1, B2, PP [1,2]. Hàm lượng lysine trong 100g phần ăn được của một số thực phẩm [3] Thực phẩm Hàm lượng Thực phẩm Hàm lượng (mg/100g) (mg/100g) Cá ngừ 2147 Khoai tây 100 Ca hồi 1985 Gạo tẻ 239 Cá thu 1600 Ngô bắp tươi 100 Cá chép 1249 Vừng 680 Thịt bò 1557-1950 Hạt lạc 990 Thịt gà ta 1859 Giá đậu tương 392 Thịt trâu 1610 Sữa mẹ 110 Đậu tương 1970 Sữa bò tươi 320 7 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Đậu xanh 2145 Sữa đậu nành 162 (100 g đậu/L) Đậu Hà Lan 1772 Sữa chua 360 Khoai lang 30 Pho mát 1883 1. Tình hình phát triển của công nghiệp sản xuất L-lysine trên thế giới L-lysine thường được sản xuất thương mại dưới dạng L-lysine monohydrochloride (L-lysine-HCl), với độ tinh khiết cao hơn 98.5% trọng lượng tương ứng với 78.8% trọng lượng của lysine tự do [4].

Sản lượng L-lysine trên thế giới đã tăng đột biến từ 1170000 tấn vào năm 2011, đến năm 2015 là 2220000 tấn. Dự đoán thị trường trọng những năm tới có đà tăng trưởng khoàng 5-8%/năm. Sản xuất và tiêu thụ tập trung chủ yếu ở Trung Quốc (trên 50% công suất và trên 25% lượng tiêu thụ), tiếp theo là Mỹ (15-20% công suất và lượng tiêu thụ). Hiện nay, lysine trên thế giới được sản xuất hàng năm, chủ yếu tại công ty như CJ CheilJedang (Hàn Quốc), ADM (USA), Global Bio-Chen Tech (Trung Quốc), Ajinomoto (Nhật Bản), Evonik (Germany) [1].

Sự tăng trưởng trong sản xuất L-lysine trên toàn cầu [4] 1. Các phương pháp sản xuất L-lysine Các phương pháp sản xuất axit amino được phân thành 3 loại, bao gồm: 8 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 − Chiết xuất − Tổng hợp hoá học − Phương pháp công nghệ sinh học: tổng hợp bằng enzyme và lên men. Lợi thế của mỗi phương pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kinh tế, tình hình liên quan đến nguyên liệu thô, thị trường và các quy định về môi trường. Cho tới thời điểm hiện tại, L-lysine được sản xuất bằng 3 con đường: tách chiết từ dịch thuỷ phân protein, tổng hợp hoá học và tổng hợp bằng công nghệ sinh học (enzyme và lên men).

Tách chiết Đây là phương pháp đầu tiên được sử dụng để thu L-lysine từ casein từ những năm 1889. Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc vào sự sẵn có từ nguyên liệu thô giàu protein tự nhiên như keratin, đậu tương, … nên khó có thể đáp ứng được nhu cầu ngày nay, nên không được áp dụng vào quy mô công nghiệp. Phương pháp này thuỷ phân protein, sau đó sử dụng các phương pháp tách chiết để thu được L-lysine. Tổng hợp hoá học Phương pháp này tổng hợp đồng thời cả hai đồng phân D- và L-lysine, cần một bước phân giải quang học để thu được đồng phân L-lysine.

Bước phân giải này làm cho sản phẩm có giá thành cao, cho nên phương pháp này không được ứng dụng nhiều để sản xuất L-lysine. Tổng hợp bằng enzyme So với tổng hợp hoá học, tổng hợp bằng enzyme cho phép thu L-lysine có độ tinh khiết và nồng độ cao hơn, có ít sản phẩm phụ hơn. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc chủ yếu vào cơ chất lựa chọn cho enzyme và giá thành củacow chất này. L-lysine được sản xuất thương mại từ DL-α- amino-ε- caprolactam.

Đây cũng là một phương pháp không phù hợp để áp dụng vào quy mô công nghiệp sản xuất L-lysine. 9 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 1. Tổng hợp bằng lên men Ngày nay, lên men là phương pháp chiếm ưu thế trong sản xuất công nghiệp. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất phần lớn các L- amino acid, đây cũng là phương pháp chủ yếu được sử dụng vào sản xuất L- lysine.

Trong các thiết bị lên men, vi sinh vật được nuôi cấy với mật độ cao và điều kiện nuôi cấy được kiểm soát chặt chẽ. Các chủng lên men sinh tổng hợp L- Lysin thường là các vi khuẩn thuộc loài Corynebacterial, chủ yếu như: Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, Brevibacterium lactofermentum, Corynebacterium acetophilum, … Các loài này đã được sử dụng trong công nghiệp để lên men L-lysine trong suốt một nửa thập kỉ qua. Quá trình sản xuất gồm nhiều công đoạn, bao gồm việc nuôi cấy chủng vi sinh vật, lên men, tách sinh khối bằng ly tâm, siêu lọc, tách và tinh chế sản phẩm từ dịch lên men, làm khô và cuối cùng là xử lý nước thải. L-lysine là sản phẩm cần có sản lượng lớn, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nên các nghiên cứu được thực hiện liên tục để cải tiến quá trình lên men, cải biến tạo chủng cao sản.

Chi phí của quá trình phụ thuộc vào chi phí cho nguyên liệu thô, hiệu suất lên men, chi phí cho quá trình tách, tinh chế và thu hồi sản phẩm. Sử dụng vi sinh vật để lên men sản xuất L-lysine Sản xuất L-lysine trong công nghiệp hầu như chỉ dùng phương pháp lên men và sử dụng các chủng đột biến sản sinh quá mức L-lysine của loài Corynebacterial, đặc biệt là C. Vì phương pháp lên men cho hiệu quả kinh tế cao và chủng này có thể sử dụng đa dạng nguồn cacbon, đặc biệt là những nguyên liệu rẻ như rỉ đường, tinh bột thuỷ phân như sắn, ngô [1, 5].