Thiết Kế Nhà Máy Sản Xuất Axit Glutamic: Đồ Án Tốt Nghiệp

Axit glutamic là một axit amin thiết yếu, tham gia vào nhiều quá trình trao đổi chất quan trọng trong cơ thể người và động vật. Nó là thành phần cấu tạo của chất xám và chất trắng của não, kích thích các phản ứng oxy hóa của não. Theo PGS. Trương Thị Minh Hạnh, mỗi ngày cơ thể cần khoảng 10 gam glutamat, riêng não cần khoảng 2,3 gam. Axit glutamic còn tham gia vào việc tạo thành protein và các axit amin khác. Trong y học, nó được sử dụng như một chất bổ não, chữa các bệnh thần kinh và tim mạch. Quan trọng hơn, axit glutamic là nguyên liệu chính để sản xuất bột ngọt và các chất điều vị khác, tạo hương vị cho thực phẩm.

Khu vực miền Trung Việt Nam, đặc biệt là tỉnh Quảng Nam, có nhiều lợi thế để phát triển ngành sản xuất axit glutamic. Nguồn cung sắn – nguyên liệu đầu vào chính – dồi dào và có giá thành cạnh tranh. Bên cạnh đó, vị trí địa lý thuận lợi của Quảng Nam, gần các trung tâm kinh tế lớn như Đà Nẵng và các tỉnh lân cận, giúp giảm chi phí vận chuyển và mở rộng thị trường tiêu thụ. Chính quyền địa phương cũng có các chính sách ưu đãi, hỗ trợ đầu tư vào các ngành công nghiệp chế biến nông sản, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng và vận hành nhà máy axit glutamic.

Quảng Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, với độ ẩm trung bình cao và lượng mưa lớn tập trung vào các tháng cuối năm. Điều này ảnh hưởng đến việc bảo quản nguyên liệu sắn và sản xuất liên tục của nhà máy. Việc lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy cần cân nhắc các yếu tố như địa hình, nguồn nước và hệ thống thoát nước để đảm bảo hoạt động ổn định. Ngoài ra, cần có các biện pháp phòng chống thiên tai, đặc biệt là lũ lụt, để bảo vệ nhà máy và các thiết bị sản xuất.

Quảng Nam có nhà máy tinh bột sắn FOCOCEV và giáp ranh với các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định, đảm bảo nguồn cung nguyên liệu sắn ổn định cho nhà máy. Theo tài liệu, nhà máy có thể sử dụng hệ thống lưới điện quốc gia 500KV và trạm biến áp 40 MVA để đáp ứng nhu cầu điện năng. Nguồn nước được cung cấp từ nhà máy nước công suất 5.000 m3/ngày đêm trong khu công nghiệp. Việc kết nối với các công trình chung như điện, nước, giao thông giúp giảm vốn đầu tư và rút ngắn thời gian hoàn vốn. Tuy nhiên, cần có kế hoạch dự phòng để đảm bảo nguồn cung điện và nước ổn định trong trường hợp xảy ra sự cố.

Phương pháp tổng hợp hóa học đòi hỏi kỹ thuật cao, khó tách L-axit glutamic và có giá thành sản phẩm cao. Phương pháp thủy phân protein sử dụng nguyên liệu có hàm lượng protein cao và nhiều thiết bị, hóa chất, dẫn đến hiệu suất thấp và giá thành cao. Phương pháp kết hợp giữa hóa học và lên men có hiệu suất cao nhưng đòi hỏi trang thiết bị hiện đại và chính xác. Phương pháp lên men có nhiều ưu điểm hơn, bao gồm nguyên liệu rẻ tiền, ít sử dụng hóa chất, hiệu suất cao và tạo ra axit glutamic dạng L có hoạt tính sinh học cao. Vì vậy, phương pháp lên men là lựa chọn tối ưu cho sản xuất công nghiệp.

Quy trình lên men trực tiếp sản xuất axit glutamic sử dụng một loại vi sinh vật duy nhất để chuyển đổi đường và NH3 thành axit glutamic trong môi trường nuôi cấy. Các chủng vi sinh vật thường được sử dụng là Corynebacterium Glutamicum, Brevibacterium Lactofermentus, Micrococus Glutamicus. Quá trình lên men đòi hỏi điều kiện vô trùng nghiêm ngặt và kiểm soát chặt chẽ các thông số như pH, nhiệt độ, oxy và chất dinh dưỡng. Sản phẩm axit glutamic sau khi lên men được tách chiết, tinh chế và đóng gói để đưa ra thị trường.

Chủng vi khuẩn Corynebacterium Glutamicum có khả năng lên men từ tinh bột, ngô, khoai mì để tạo ra axit glutamic. Chủng vi khuẩn này cần được nuôi cấy và nhân sinh khối trong môi trường lỏng vô trùng. Theo PGS. Trương Thị Minh Hạnh, giống vi khuẩn thuần khiết này được lấy từ ống thạch nghiêng tại các cơ sở giữ giống, sau đó được cấy truyền, nhân sinh khối trong môi trường lỏng. Khối lượng sinh khối được nhân lên đến yêu cầu phù hợp cho quy trình sản xuất đại trà. Chủng vi khuẩn phải có khả năng tạo ra nhiều axit glutamic, tốc độ sinh trưởng phát triển nhanh, có tính ổn định cao trong thời gian dài, chịu được nồng độ axit cao, môi trường nuôi cấy đơn giản, dễ áp dụng trong thực tế sản xuất.

Tính thấm của màng tế bào vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc tiết axit glutamic ra môi trường. Khi tính thấm bị thay đổi do thiếu biotin hoặc tác dụng của penicillin, axit glutamic sẽ được tiết ra ngoài tế bào. Sự hư hại tính thấm xuất hiện khi nồng độ biotin tối ưu là 2 – 5 µ g/l. Còn nồng độ biotin tối thích cho sự sinh trưởng của chủng ở khoảng 14 µ g/l. Cũng có thể tạo ra sự hư hại này bằng cách bổ sung các chất hoạt động bề mặt như Tween 60. Axit glutamic nồng độ cao sẽ ức chế phản ứng của glutamate- dehydrogenaza tạo thành axit glutamic. Do biến đổi về tính thẩm thấu, tế bào chỉ cho axit glutamic ra ngoài và trong nội bào nồng độ axit amin này thấp nên không có sự ức chế ngược bởi sản phẩm cuối cùng.

Độ pH của môi trường ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật và enzyme. Trong quá trình lên men, độ pH có xu hướng giảm do tạo ra axit glutamic và các axit hữu cơ khác. Do đó, cần phải điều chỉnh độ pH thường xuyên bằng NH+4. Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là 26-37oC. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp có thể ức chế sự phát triển của vi sinh vật và làm giảm hiệu suất sản xuất.

Lên men tổng hợp axit glutamic là quá trình hiếu khí bắt buộc. Do đó sự cung cấp oxi trong khi lên men là hết sức quan trọng. Nếu thiếu O2 thì sản phẩm chủ yếu là axit lactic, nếu thừa oxi thì sản phẩm chủ yếu là axit -α-xetoglutaric. Chất kích thích sinh trưởng như biotin đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp axit glutamic. Nồng độ biotin thích hợp nhất cho sinh tổng hợp axit glutamic 2-5g\l. Nguồn cung cấp biotin là cao ngô, rỉ đường mía. Trong quá trình lên men nếu dùng rỉ đường mía làm nguồn cung cấp đường và biotin thì thường xảy ra hiện tượng thừa biotin sẽ không có lợi, sinh tổng hợp axit glutamic ít, nếu sục khí kém sẽ tạo ra alanin và axit lactic. Vì vậy, người ta phải bổ sung thêm penicilin để kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn trong môi trường giàu biotin đồng thời tăng trưởng quá trình tổng hợp axit glutamic.

Để nâng cao hiệu quả sản xuất axit glutamic, cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình lên men, kiểm soát chặt chẽ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men, sử dụng các chủng vi sinh vật có năng suất cao và áp dụng các công nghệ tiên tiến trong tách chiết và tinh chế sản phẩm. Ngoài ra, cần chú trọng đến việc quản lý chất thải và bảo vệ môi trường.

Để phát triển bền vững ngành sản xuất axit glutamic, cần chú trọng đến việc sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo, giảm thiểu lượng chất thải và khí thải, tiết kiệm năng lượng và nước, và đảm bảo an toàn lao động. Ngoài ra, cần tăng cường nghiên cứu và phát triển các sản phẩm mới có giá trị gia tăng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.