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.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

L-lysine (axit 2,6-diaminohexanoic) là một trong những axit amin thiết yếu mà cơ thể người và động vật không thể tự tổng hợp, bắt buộc phải tiếp nhận qua nguồn thức ăn hàng ngày. Trong cơ thể, L-lysine tham gia cấu tạo protein, hỗ trợ quá trình tiết enzyme dịch vị, vận chuyển canxi tế bào, duy trì cân bằng nitơ, tổng hợp hormone và kháng thể. Thiếu hụt lysine dẫn đến tình trạng chậm lớn, còi cọc, suy giảm thể lực và trí tuệ ở lứa tuổi phát triển. Nhu cầu L-lysine tiêu chuẩn được xác định ở mức 30 mg/kg thể trọng/ngày đối với người lớn và 35 mg/kg thể trọng/ngày đối với trẻ em. Trong chăn nuôi, các loại nông sản phổ biến như ngô, gạo, khoai lang có hàm lượng lysine tương đối thấp; việc bổ sung 0,5% L-lysine giúp gia tăng giá trị sử dụng protein tương đương 20% bột đậu nành, và bổ sung 1 kg L-lysine vào 1 tấn thức ăn chăn nuôi lợn có thể làm giảm chi phí thức ăn đến 18%.

Trên quy mô toàn cầu, sản lượng L-lysine thương mại (chủ yếu dưới dạng L-lysine monohydrochloride - L-lysine-HCl với độ tinh khiết trên 98,5%) đạt mức tăng trưởng mạnh, từ 1.170.000 tấn (năm 2011) lên 2.220.000 tấn (năm 2015), tập trung sản xuất lớn tại Trung Quốc (chiếm trên 50% công suất), Hoa Kỳ (15–20% công suất), cùng các tập đoàn công nghiệp như CJ CheilJedang, ADM, Global Bio-Chem Tech, Ajinomoto, Evonik. Tại Việt Nam, rỉ đường mía là phụ phẩm dồi dào từ ngành mía đường (chiếm 3–4% khối lượng mía nguyên liệu, tương ứng sản lượng mía đạt 7,5–12,2 triệu tấn trong các niên vụ 2018–2020), chứa hàm lượng carbohydrate cao (50–60%) và giàu chất kích thích sinh trưởng (biotin đạt 120 µg/100g), tạo nguồn nguyên liệu có giá thành cạnh tranh.

Đề tài đồ án chuyên ngành thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật cụ thể:

1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về L-lysine, chủng vi sinh vật sản xuất, các phương pháp lên men và công nghệ thu hồi sản phẩm.
2. Lựa chọn dây chuyền công nghệ, chủng vi sinh vật và thuyết minh chi tiết các công đoạn từ xử lý nguyên liệu, nhân giống, lên men đến hoàn thiện sản phẩm.
3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng sản phẩm cho toàn bộ phân xưởng nhằm đáp ứng năng suất thiết kế.
4. Tính toán thiết kế thiết bị lên men chính (kích thước, khuấy trộn, truyền nhiệt, cấp khí) và lựa chọn các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ lên men hiếu khí sinh tổng hợp L-lysine bằng chủng vi khuẩn đột biến và hệ thống thiết bị phân xưởng sản xuất.
• Phạm vi thiết kế: Thiết kế phân xưởng lên men sản xuất L-lysine từ nguyên liệu rỉ đường mía với năng suất đạt 40.000 $\text{m}^3$ dịch lên men/năm.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý sinh học phân tử, hóa sinh vi sinh vật và kỹ thuật phản ứng sinh học:

• Đặc tính hóa lý của L-lysine: Công thức phân tử $\text{C}6\text{H}{14}\text{N}_2\text{O}_2$, khối lượng phân tử 146,19 g/mol, điểm đẳng điện $\text{pI} = 9,59$, nhiệt độ phân hủy 224–225°C. Tồn tại hai dạng đồng phân quang học D- và L-, trong đó dạng đồng phân L-lysine có hoạt tính sinh học. Tinh thể màu trắng, hình lục giác, vị chát, dễ tan trong nước, axit và kiềm, khó tan trong cồn, không tan trong ete.
• Cơ chế sinh tổng hợp và chủng vi sinh vật: Sinh tổng hợp L-lysine ở vi khuẩn Corynebacterium glutamicum đi từ axit aspartic qua enzym aspartate kinase (AK). Enzym này chịu cơ chế ức chế phản hồi (feedback inhibition) đồng thời bởi lysine và threonine. Do đó, kỹ thuật lên men hiện đại ứng dụng chủng đột biến khuyết dưỡng homoserine (hoặc khuyết dưỡng methionine – threonine) nhằm giải tỏa ức chế ngược, giúp vi khuẩn tích tụ thừa L-lysine ra môi trường ngoài tế bào.
• Lý thuyết thiết kế kỹ thuật quá trình: Áp dụng các định luật bảo toàn khối lượng và cân bằng vật chất cho hệ phản ứng sinh học gián đoạn; lý thuyết thủy động lực học chất lỏng trong thiết bị có cánh khuấy cơ học (Rushton turbine); cơ chế truyền khối oxy hòa tan ($K_L a$) từ pha khí sang pha lỏng và tế bào vi sinh vật.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu dữ liệu khoa học về đặc tính sinh lý chủng C. glutamicum, động học quá trình lên men, thành phần dinh dưỡng của rỉ đường mía và bắp.
• Phương pháp cân bằng vật chất: Tính toán số mẻ sản xuất trong năm, thể tích làm việc của thiết bị, tỷ lệ tiếp giống qua các cấp nhân giống (hoạt hóa, sơ cấp, thứ cấp bậc 1, thứ cấp bậc 2), mức tiêu hao nguyên liệu thô (nguồn C, N, khoáng, vitamin, chất phá bọt) có tính đến hệ số hao hụt từng công đoạn.
• Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí và thủy lực: Xác định kích thước hình học thân thùng lên men, tỷ lệ đường kính/chiều cao, tính toán công suất khuấy không sục khí ($P_u$) và có sục khí ($P_g$) dựa trên số Reynolds ($\text{Re}$), số công suất ($\text{Np}$) và số sục khí ($\text{Na}$).

Nguồn dữ liệu: Số liệu thực nghiệm từ các công trình nghiên cứu chuyên ngành công nghệ sinh học lên men L-lysine (các công trình công bố của Ajinomoto, Evonik, tài liệu chuyên khảo về C. glutamicum), niên giám số liệu nông nghiệp ngành mía đường Việt Nam và các sổ tay quá trình - thiết bị công nghệ hóa chất.

---

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1. Tổng quan đề tài

Phần tổng quan hệ thống hóa toàn diện các khía cạnh lý thuyết và thực tiễn của ngành sản xuất axit amin:

• Đặc điểm dinh dưỡng và phân bố: Cung cấp bảng số liệu hàm lượng lysine trong các loại thực phẩm ăn được: cá ngừ (2147 mg/100g), cá hồi (1985 mg/100g), đậu tương (1970 mg/100g), pho mát (1883 mg/100g), thịt gà ta (1859 mg/100g), đậu Hà Lan (1772 mg/100g), thịt bò (1557–1950 mg/100g), khoai lang (30 mg/100g).
• So sánh 4 phương pháp sản xuất:
  • Chiết xuất từ dịch thủy phân protein: Ra đời từ năm 1889 (từ casein), phụ thuộc nguồn protein tự nhiên, hiệu suất thấp, không phù hợp quy mô lớn.
  • Tổng hợp hóa học: Tạo hỗn hợp racemic D,L-lysine, đòi hỏi tách phân giải quang học phức tạp làm tăng giá thành.
  • Tổng hợp bằng enzym: Chuyển hóa DL-$\alpha$-amino-$\varepsilon$-caprolactam, cho độ tinh khiết cao nhưng chi phí cơ chất đắt.
  • Lên men vi sinh vật: Phương pháp tối ưu trong công nghiệp nhờ sử dụng chủng đột biến Corynebacterial, tận dụng cơ chất rẻ tiền (rỉ đường, tinh bột sắn, ngô), năng suất tích tụ L-lysine đạt từ 50–100 g/L đến 170 g/L, hiệu suất chuyển hóa cơ chất đạt 40–55% và có thể lên tới 82% (g L-lysine-HCl/100g glucose).
• Yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến lên men: Phân tích nhu cầu nguồn carbon (sucrose, glucose, fructose), nguồn nitơ vô cơ và hữu cơ ($(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$, $\text{NH}_4\text{OH}$, ure, dịch bắp), muối vô cơ ($\text{KH}_2\text{PO}_4$, $\text{MgSO}_4$, $\text{FeSO}_4$), các vitamin kích thích sinh trưởng (biotin, thiamin.HCl, pantothenic acid, nicotinamide), nhiệt độ lên men (khoảng 30–35°C), pH duy trì 6,0–9,0, nhu cầu cấp oxy hòa tan và kiểm soát bọt bằng chất phá bọt hữu cơ.
• Thành phần rỉ đường mía: Đánh giá các thông số hóa lý của rỉ đường mía: chất khô 75–85%, đường tổng 45–65%, đường khử 15–25%, sacarose 25–40%, tro chứa $\text{K}_2\text{O}$ (3,5%), $\text{SiO}_2$ (0,05%). Phân tích tác hại của hệ keo (pectin, chất nhờn tạo màng bao bọc tế bào, gây bọt), chất màu (caramen, melamodin, phức phenol–$\text{Fe}^{2+}$) và hợp chất bay hơi độc hại (furfurol, oxymethylfurfurol), xác định mật độ vi sinh vật tạp nhiễm trong rỉ đường từ $700.000 – 1.200.000\text{ CFU/g}$, làm rõ yêu cầu bắt buộc phải xử lý nguyên liệu trước khi lên men.

Phần 2. Lựa chọn công nghệ và thuyết minh

Chương này xác lập quy trình công nghệ chuẩn cho phân xưởng:

• Chủng giống công nghiệp: Sử dụng chủng Corynebacterium glutamicum Lys-12. Đặc tính: vi khuẩn Gram dương, hiếu khí, hình que, không di động, không sinh bào tử. Lên men trong 30 giờ cho hàm lượng L-lysine tích tụ đạt 120 g/L dịch lên men.
• Các công đoạn công nghệ chính:
  1. Xử lý rỉ đường: Pha loãng sơ bộ với nước theo tỷ lệ 1:2 ($1\text{ tấn rỉ đường} : 2\text{ m}^3\text{ nước}$), bổ sung $\text{H}_2\text{SO}_4\text{ 98%}$ với tỷ lệ 2,5 kg/tấn rỉ đường, khuấy đều và gia nhiệt lên 85–90°C trong 45 phút để kết tủa keo, loại bỏ canxi thừa và thủy phân sucrose thành đường khử. Để lắng tĩnh 4–8 giờ ở nhiệt độ phòng, ly tâm tách cặn ở 10.000 vòng/phút trong 15 phút, sau đó tiệt trùng ở 120–122°C trong 30 phút.
  2. Thủy phân tinh bột bắp: Hạt bắp tươi nghiền mịn với nước tỷ lệ 1:1,5, hồ hóa ở 70–80°C trong 10 phút, dịch hóa bằng $\alpha$-amylase và đường hóa bằng glucoamylase để cung cấp dịch đường bổ sung.
  3. Thanh trùng môi trường: Sử dụng hệ thống trao đổi nhiệt dạng tấm bản liên tục. Dịch môi trường được nâng nhiệt nhanh lên 140°C trong 20 giây, giữ nhiệt 2–3 phút và hạ nhiệt nhanh xuống 30°C trong 20 giây để hạn chế tổn biến tính nhiệt các chất dinh dưỡng.
  4. Chu trình nhân giống: Giống từ ống bảo quản đông sâu -80°C được hồi phục trong môi trường lỏng 3 ml (30°C, 24 giờ), cấy ria thạch đĩa (30°C, 24 giờ), nhân giống bình tam giác 200 ml (230 vòng/phút, 6 giờ), sau đó nhân giống sơ cấp và thứ cấp (bậc 1 và bậc 2) trong các thiết bị chuyên dụng với tỷ lệ cấy giống 5% thể tích.
  5. Lên men chính: Lên men mẻ trong thùng lên men kín có sục khí và cánh khuấy tuabin Rushton, duy trì nhiệt độ 30°C, kiểm soát pH 6,9 tự động bằng dung dịch $\text{NH}_4\text{OH 25%}$, bổ sung chất phá bọt Tego antifoam KS911 (chất hữu cơ 100% không chứa silicon).
  6. Thu hồi sản phẩm: Thiết kế 2 phương án tùy thuộc mục đích sử dụng:
     • Dạng tinh thể L-lysine-HCl tinh khiết (dược phẩm, thực phẩm): Ly tâm tách bỏ sinh khối tế bào $\rightarrow$ Hấp phụ qua cột trao đổi cationit $\rightarrow$ Rửa giải bằng dung dịch amoniac 0,5–5% $\rightarrow$ Đun đuổi $\text{NH}_3$, chỉnh pH về 4,9–5,0 bằng HCl $\rightarrow$ Cô đặc chân không (30–50%) $\rightarrow$ Kết tinh ở 10–12°C $\rightarrow$ Ly tâm tách tinh thể và sấy chân không.
     • Dạng chế phẩm lysine thô (thức ăn gia súc): Dịch lên men sau tách tế bào đem cô đặc chân không đạt 35–40% chất khô, phối trộn bột ngũ cốc làm chất độn rồi sấy khô hoặc ép viên.

Phần 3. Cân bằng sản phẩm

Tính toán định mức công nghệ cho toàn bộ chu trình sản xuất:

• Thông số cơ bản:
  • Năng suất phân xưởng: 40.000 $\text{m}^3$ dịch lên men/năm.
  • Thời gian vận hành: 300 ngày/năm. Chu kỳ một mẻ lên men: 32 giờ (gồm 30 giờ lên men và 2 giờ nạp liệu, xả dịch, vệ sinh).
  • Tổng số mẻ trong năm: $\text{Số mẻ} = \frac{300 \times 24}{32} = 225\text{ mẻ/năm}$.
  • Thể tích dịch thu được mỗi mẻ: $\frac{40.000}{225} \approx 177,78\text{ m}^3\text{/mẻ}$.
  • Dung tích thiết bị lên men: Thể tích toàn phần 100 $\text{m}^3$, hệ số điền đầy 0,7 $\rightarrow$ thể tích làm việc hữu ích đạt 70 $\text{m}^3$/thiết bị.
  • Số lượng thiết bị: $\frac{177,78}{70} \approx 2,54 \rightarrow$ Lựa chọn 3 thiết bị lên men chính vận hành đồng thời trong mỗi mẻ và 1 thiết bị dự trữ.
  • Tổng thể tích dịch lên men 1 mẻ (3 tank): $V = 3 \times 70 = 210\text{ m}^3$. Lượng giống cấp vào (5%): $V_g = 10,5\text{ m}^3$. Thể tích môi trường nạp ban đầu: $V_{mt} = 199,5\text{ m}^3$.
• Cân bằng các cấp nhân giống (tỷ lệ giống 5%):
  • Nhân giống thứ cấp bậc 2: $V_1 = 10,5\text{ m}^3$ (sử dụng 2100 kg rỉ đường, 189 kg dịch thủy phân đậu tương).
  • Nhân giống thứ cấp bậc 1: $V_2 = 0,525\text{ m}^3$.
  • Nhân giống sơ cấp: $V_3 = 0,02625\text{ m}^3$.
  • Hoạt hóa giống: $V_4 = 0,001313\text{ m}^3$.
• Cân bằng nguyên liệu cho mẻ lên men chính (3 tank): Tính toán chi tiết lượng rỉ đường, dịch bắp, muối vô cơ, nguồn nitơ, vi lượng và vitamin.

Phần 4. Tính toán thiết bị

Nội dung chương tập trung xác định kích thước cơ khí, động lực học dòng chảy và truyền khối trong nồi lên men chính:

• Thể tích danh định 100 $\text{m}^3$, thể tích làm việc 70 $\text{m}^3$, thân hình trụ đáy và nắp elip, vỏ áo điều nhiệt.
• Tính toán hệ thống sục khí vô trùng phân phối qua vòng ống đục lỗ dưới đáy.
• Thiết kế hệ thống khuấy trộn cơ học: Sử dụng cánh khuấy đĩa tuabin 6 cánh phẳng (Rushton turbine impeller). Xác định đường kính cánh khuấy, vị trí tầng cánh khuấy, số tấm chắn dòng (baffles) nhằm triệt tiêu hiện tượng tạo phễu xoáy.
• Tính toán thủy lực: Xác định chỉ số công suất ($\text{Np}$), công suất khuấy không khí ($P_u$) và công suất tiêu hao khi có sục khí ($P_g$) dựa trên số sục khí ($\text{Na}$), đảm bảo hệ số truyền khối oxy $K_L a$ cung cấp đủ nhu cầu oxy sinh học của C. glutamicum ở mật độ sinh khối 66 g/L.
• Lựa chọn thiết bị phụ trợ: Máy ly tâm tách tế bào, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản cho tiệt trùng liên tục, hệ thống bơm ly tâm vận chuyển dịch, nồi cô đặc chân không và hệ thống CIP (Cleaning In Place).

---

Thiết kế và triển khai công nghệ

Dây chuyền công nghệ tổng thể

                                                      Thanh trùng tấm bản (140°C)
                                                                        Dịch lên men xả thùng
                                                                   Ly tâm tách sinh khối tế bào
                                                            (Thu tinh thể L-Lysine)  (Chế phẩm thô chăn nuôi)
                                                            Trao đổi ion Cationit    Cô chân không (35-40% CK)
                                                            Đun đuổi NH3 + chỉnh pH  Phối trộn chất độn
                                                            Cô đặc chân không        Sấy/Ép viên thức ăn
                                                            Kết tinh (10-12°C)
                                                            Sấy chân không

Tổng hợp định mức nguyên liệu cho một mẻ lên men chính

Thành phần nguyên liệu	Nồng độ trong môi trường	Đơn vị tính	Lượng dùng cho 1 thiết bị (70 $\text{m}^3$)	Lượng dùng cho 1 mẻ (3 thiết bị - 210 $\text{m}^3$)
Rỉ đường mía	72,44	g/L	5.070,8	15.212,4 (tính theo CK)
Dịch bắp	35,0	ml/L	2.450	7.350 (Lít)
$(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$	36,0	g/L	2.520	7.560 (kg)
$\text{KH}_2\text{PO}_4$	0,7	g/L	49	147 (kg)
$\text{MgSO}_4\cdot7\text{H}_2\text{O}$	0,225	g/L	15,75	47,25 (kg)
Hỗn hợp $\text{FeSO}_4$ - Citrat	0,55	ml/L	38,5	115,5 (Lít)
Hỗn hợp Vitamin (VTM)	7,0	ml/L	490	1.470 (Lít)
Biotin	300	mg/L	147	441 (g)
Thiamin.HCl	500	mg/L	245	735 (g)
Pantothenic acid Ca	2,0	g/L	0,98	2,94 (kg)
Nicotinamide	600	mg/L	294	882 (g)
Chất phá bọt (Tego antifoam)	5,0	ml/L	350	1.050 (Lít)

Thông số kỹ thuật cụm thiết bị lên men chính

Thông số kỹ thuật	Giá trị thiết kế	Đơn vị
Số lượng thiết bị vận hành đồng thời	3	Thiết bị
Số lượng thiết bị dự phòng	1	Thiết bị
Thể tích danh định toàn phần ($V_t$)	100	$\text{m}^3$
Hệ số điền đầy	0,70	-
Thể tích làm việc hữu ích ($V_{lv}$)	70	$\text{m}^3$/thiết bị
Thời gian lên men một chu kỳ	30	Giờ
Thời gian phụ trợ (vệ sinh, nạp, xả liệu)	2	Giờ
Tổng chu kỳ mẻ	32	Giờ
Nhiệt độ lên men	30	°C
Độ pH môi trường	6,9	(duy trì bằng $\text{NH}_4\text{OH 25%}$)
Loại cánh khuấy	Tuabin đĩa Rushton 6 cánh	-
Nồng độ L-lysine cuối mẻ	120	g/L
Nồng độ sinh khối vi khuẩn cuối mẻ	66	g/L

---

Kết quả và đóng góp

• Xác lập dây chuyền công nghệ đồng bộ: Thiết kế hoàn chỉnh phân xưởng lên men đáp ứng quy mô năng suất 40.000 $\text{m}^3$ dịch lên men/năm, tương ứng với sản lượng dịch lên men đạt chất lượng tích tụ L-lysine ở nồng độ cao (120 g/L dịch lên men, mật độ sinh khối 66 g/L).
• Tối ưu hóa chế độ vận hành: Xác định chế độ làm việc 300 ngày/năm với 225 mẻ/năm; lựa chọn mô hình cụm 3 nồi lên men chính thể tích 100 $\text{m}^3$ (thể tích làm việc 70 $\text{m}^3$/nồi) hoạt động song song cùng 1 nồi dự phòng, đảm bảo tính liên tục và linh hoạt của nhà máy.
• Giải pháp xử lý nguyên liệu phù hợp thực tế: Đề xuất quy trình tiền xử lý rỉ đường mía bằng phương pháp axit hóa kết hợp gia nhiệt (85–90°C, $\text{H}_2\text{SO}_4\text{ 98%}$ tỷ lệ 2,5 kg/tấn) giúp loại bỏ triệt để hệ keo cặn và ion canxi gây hại, đồng thời chuyển hóa đường sucrose thành đường khử (thu hồi 65% glucose sau xử lý).
• Quy trình thanh trùng và nuôi cấy nhiều cấp: Áp dụng hệ thống thanh trùng liên tục nhiệt độ cao thời gian ngắn (140°C trong 20s–3 phút) giúp hạn chế caramen hóa đường và phân hủy vitamin. Thiết lập chuỗi nhân giống 4 giai đoạn (hoạt hóa, sơ cấp, thứ cấp 1, thứ cấp 2) với tỷ lệ gieo giống 5%, đảm bảo sinh khối đạt đỉnh pha log trước khi cấy vào nồi lên men chính.
• Đóng góp kỹ thuật: Cung cấp bảng dữ liệu cân bằng vật chất định lượng chi tiết cho từng loại hóa chất, vitamin, muối khoáng và môi trường nuôi cấy, làm căn cứ thiết kế cho các phân xưởng công nghệ sinh học sản xuất axit amin quy mô công nghiệp tại Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Đồ án được xây dựng dựa trên mô hình tính toán thiết kế công nghệ và thông số động học từ tài liệu nghiên cứu tham khảo của chủng C. glutamicum Lys-12, chưa có điều kiện kiểm chứng thực nghiệm trên quy mô pilot với mẫu rỉ đường thực tế của từng nhà máy đường cụ thể tại Việt Nam.
  • Phần tính toán tập trung chủ yếu vào phân xưởng lên men chính và cân bằng vật chất ban đầu; các hạng mục xử lý nước thải sinh học (nước thải sau ly tâm, dịch nhả ion resin) và hệ thống tự động hóa đo lường phân tích online (DO, nồng độ cơ chất) chưa được thiết kế chi tiết.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Nghiên cứu áp dụng phương pháp lên men cấp dưỡng lặp lại (repeated fed-batch) hoặc lên men liên tục để rút ngắn thời gian chuẩn bị thiết bị và nâng cao hiệu suất sử dụng cơ chất.
  • Thiết kế chi tiết cụm thiết bị công nghệ hạ nguồn (downstream processing): hệ thống tháp trao đổi ion liên tục, hệ thống kết tinh chân không và sấy tầng sôi để thu hồi triệt để sản phẩm với độ tinh khiết cao.
  • Đánh giá chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật toàn diện, tính toán chi phí đầu tư vốn (CAPEX), chi phí vận hành (OPEX) và giá thành sản phẩm L-lysine trên thị trường.

---

Giá trị tham khảo

• Đối tượng sử dụng: Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho sinh viên, học viên cao học thuộc các ngành Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học khi thực hiện đồ án môn học Quá trình - Thiết bị, Đồ án Chuyên ngành và Khóa luận tốt nghiệp về thiết kế nhà máy lên men.
• Phần giá trị chuyên môn cao:
  • Phương pháp luận và các bước tính toán cân bằng vật chất, cân bằng môi trường nhiều cấp trong công nghệ lên men công nghiệp.
  • Số liệu và quy trình công nghệ xử lý nguyên liệu rỉ đường mía và thủy phân bắp.
  • Trình tự tính toán thủy lực, công suất khuấy trộn ($P_u, P_g$) và truyền khối oxy cho thiết bị lên men hiếu khí dung tích lớn (100 $\text{m}^3$).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất thiết kế và quy mô thiết bị của phân xưởng lên men là bao nhiêu?
Phân xưởng được thiết kế đạt năng suất 40.000 $\text{m}^3$ dịch lên men/năm. Hoạt động 300 ngày/năm với chu kỳ 32 giờ/mẻ, tổng cộng thực hiện 225 mẻ/năm. Mỗi mẻ vận hành đồng thời 3 thiết bị lên men chính dung tích 100 $\text{m}^3$ (thể tích làm việc 70 $\text{m}^3$/thiết bị, tương ứng 210 $\text{m}^3$ dịch/mẻ) và bố trí 1 thiết bị dự trữ.

2. Chủng vi sinh vật nào được lựa chọn và năng suất sinh tổng hợp L-lysine đạt bao nhiêu?
Đồ án lựa chọn chủng vi khuẩn Corynebacterium glutamicum Lys-12. Đây là vi khuẩn hiếu khí Gram dương, hình que, không di động, không sinh bào tử. Sau 30 giờ lên men ở nhiệt độ 30°C và pH 6,9, chủng đạt năng suất tích tụ L-lysine 120 g/L dịch lên men và nồng độ sinh khối đạt 66 g/L.

3. Tại sao rỉ đường mía phải xử lý bằng axit $\text{H}_2\text{SO}_4$ và gia nhiệt trước khi lên men?
Rỉ đường mía chứa nhiều tạp chất keo (pectin, chất nhờn), ion canxi, chất màu và mật độ vi sinh vật tạp nhiễm cao ($700.000 – 1.200.000\text{ CFU/g}$). Xử lý bằng $\text{H}_2\text{SO}_4\text{ 98%}$ (2,5 kg/tấn rỉ đường) kết hợp gia nhiệt 85–90°C trong 45 phút giúp kết tủa hệ keo, tách canxi, thủy phân sucrose thành đường khử glucose và hạn chế hiện tượng tạo bọt trong quá trình lên men.

4. Chế độ thanh trùng môi trường lên men được thiết kế như thế nào?
Môi trường lên men được thanh trùng bằng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản liên tục. Quá trình thực hiện bằng cách gia nhiệt nhanh dung dịch lên 140°C trong 20 giây, giữ nhiệt ở 140°C trong 2–3 phút, sau đó làm lạnh nhanh xuống nhiệt độ lên men (30°C) trong 20 giây nhằm tiêu diệt vi sinh vật tạp nhiễm mà không làm phá hủy các vitamin và dưỡng chất nhạy cảm với nhiệt.

5. Sản phẩm L-lysine sau lên men được thu hồi theo những dạng nào?
Đồ án đưa ra hai phương án thu hồi: (1) Thu L-lysine tinh thể tinh khiết (dạng L-lysine-HCl) qua các bước tách sinh khối, hấp phụ trao đổi ion trên cột cationit, nhả bằng $\text{NH}_3$, chỉnh pH 4,9–5,0 bằng HCl, cô đặc chân không, kết tinh ở 10–12°C và sấy chân không; (2) Thu chế phẩm L-lysine thô dùng trong chăn nuôi bằng cách cô đặc chân không dịch lên men đến 35–40% chất khô rồi phối trộn chất độn ngũ cốc và sấy khô/ép viên.

---

Kết luận

Đồ án chuyên ngành của tác giả Nguyễn Thị Hồng Tươi đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật phân xưởng lên men sản xuất L-lysine từ nguồn nguyên liệu rỉ đường mía với năng suất 40.000 $\text{m}^3$ dịch lên men/năm. Bằng việc ứng dụng chủng vi khuẩn đột biến cao sản Corynebacterium glutamicum Lys-12 cùng quy trình tiền xử lý rỉ đường và thanh trùng liên tục nhiệt độ cao thời gian ngắn, công nghệ đảm bảo khả năng tích tụ sản phẩm đạt 120 g/L. Các kết quả tính toán chi tiết về cân bằng vật chất, thông số vận hành cụm 3 thiết bị lên men chính dung tích 100 $\text{m}^3$ và hệ thống phụ trợ cung cấp nguồn dữ liệu thiết kế có độ tin cậy cao cho lĩnh vực kỹ thuật công nghệ sinh học công nghiệp.

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].