Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuấ Enzyme Xylanase Bổ Sung Thức Ăn Chăn Nuôi.docx

Mục lục
MỞ ĐẦU.................................................................................................................4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN...................................................................................7
1.1 Xylan và tính chất của xylan.........................................................................7
1.1.1 Xylan......................................................................................................7
1.1.2 Cấu trúc của xylan..................................................................................7
1.1.3 Tính chất của xylan................................................................................7
1.2 Tổng quan về Xylanase.................................................................................8
1.2.1 Nguồn gốc xylanase...............................................................................9
1.2.2 Cấu trúc của xylanase.............................................................................9
1.2.3 Ứng dụng của Xylanase.......................................................................10
1.2.4 Vi sinh vật sản xuất xylanase...............................................................10
CHƯƠNG II: LỰA CHỌN VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT
XYLANASE..............................................................................................................12
2.1 Thị trường enzyme......................................................................................12
2.2 Phương án sản phẩm...................................................................................13
2.2.1 Tệp khách hàng....................................................................................13
2.2.2 Đặc tính mong đợi ở sản phẩm.............................................................13
2.3 Chọn quy trình sản xuất...............................................................................14
2.3.1 Chọn chủng sản xuất............................................................................14
2.3.2 Chọn phương pháp lên men.................................................................17
2.3.3 Thành phần môi trường........................................................................20
2.3.4 Nghiền nguyên liệu..............................................................................21
2.3.5 Thanh trùng..........................................................................................23
2.3.6 Sấy sản phẩm sau lên men....................................................................24
2.3.7 Nghiền sản phẩm..................................................................................27


Dgtaurus
2.4 Sơ đồ quy trình cơng nghệ..........................................................................28
2.5 Thuyết minh quy trình cơng nghệ...............................................................29

2.5.1 Xử lý rơm rạ.........................................................................................29
2.5.2 Thanh trùng và làm nguội....................................................................29
2.5.3 Phối trộn...............................................................................................29
2.5.4 Hoạt hóa và nhân giống........................................................................30
2.5.5 Cấy giống.............................................................................................31
2.5.6 Lên men................................................................................................31
2.5.7 Sấy........................................................................................................33
2.5.8 Nghiền sản phẩm..................................................................................33
2.5.9 Đóng gói và bảo quản...........................................................................33
CHƯƠNG III: TÍNH TỐN CÂN BẰNG SẢN PHẨM.....................................34
3.1 Kế hoạch sản xuất của phân xưởng.............................................................34
3.2 Các số liệu ban đầu......................................................................................34
3.3 Giả thiết hao hụt qua các công đoạn............................................................34
3.4 Cân bằng vật chất........................................................................................35
3.4.1 Bảo quản...............................................................................................35
3.4.2 Bao gói.................................................................................................35
3.4.3 Nghiền..................................................................................................35
3.4.4 Sấy, lên men,phối trộn..........................................................................35
3.4.5 Lượng nguyên liệu ban đầu..................................................................36
3.5 Nhân giống..................................................................................................37
3.5.1 Nhân giống cấp 2..................................................................................37
3.5.2 Nhân giống cấp 1..................................................................................37
3.5.3 Hoạt hóa, giữ giống..............................................................................37
3.6 Tổng kết.......................................................................................................38
1


Dgtaurus
CHƯƠNG IV: TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ........................................................40
4.1 Chọn cân......................................................................................................40

4.2 Máy nghiền rơm..........................................................................................41
4.3 Băng tải trục vít chuyển rơm vào silo chứa.................................................42
4.4 Silo chứa rơm..............................................................................................43
4.5 Thiết bị thanh trùng dinh dưỡng môi trường...............................................44
4.6 Bồn khuấy trộn môi trường.........................................................................44
4.7 Gàu tải vật liệu vào thùng lên men..............................................................45
4.8 Thiết bị lên men...........................................................................................45
4.9 Nhân giống..................................................................................................46
4.9.1 Thiết bị nhân giống cấp 1.....................................................................46
4.9.2 Thiết bị nhân giống cấp 2.....................................................................47
4.9.3 Hoạt hóa...............................................................................................47
4.10 Thiết bị nghiền sản phẩm..........................................................................47
4.11 Đóng gói....................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................49

2


Dgtaurus

MỞ ĐẦU
Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam. Mặc dù tỷ trọng của
nông nghiệp trong GDP của cả nước đã giảm trong những năm gần đây, nhưng đóng
góp của nó vào tăng trưởng kinh tế vẫn ổn định ở mức 16-18%. Ngành cơng nghiệp
này vẫn đóng vai trị rất quan trọng khi tạo ra trên 40% tổng số việc làm cho lực
lượng lao động cả nước. Và chăn nuôi là lĩnh vực đóng góp chính cho ngành nơng
nghiệp với đóng góp 25,2% vào GDP nơng nghiệp. Chăn ni Việt Nam phát triển
với tốc độ 5 - 7%/năm, góp phần quan trọng duy trì tốc độ tăng trưởng của ngành
Nơng nghiệp. Với sẵn nguồn thức ăn rất lớn từ ngành trồng trọt, ngành chăn ni
Việt Nam cịn nhiều dư địa tăng và hứa hẹn mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Ngành cơng nghiệp enzyme đã có sự phát triển đáng kể trong nhiều thập kỷ qua
do nhu cầu ngày càng tăng trên tồn cầu về các cơng nghệ xanh và sạch hơn để bảo
vệ môi trường. Thị trường enzyme công nghiệp được định giá sẽ đạt 7 tỷ USD vào
năm 2023 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 4,9% trong giai đoạn
2018-2023. Thị trường enzyme công nghiệp toàn cầu được định giá khoảng 5,5 tỷ
USD trong năm 2018 và dự kiến sẽ đạt khoảng 7,0 tỷ USD vào năm 2023 với tốc độ
CAGR là 4,9% trong giai đoạn 2018-2023. Thị trường enzyme thức ăn chăn nuôi
hiện đứng thứ tư tính theo giá trị (dự kiến đạt trên 825 triệu USD vào năm 2023),
tuy nhiên đây lại là lĩnh vực được đánh giá có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong
giai đoạn 2018-2023 (tốc độ CAGR đạt 5,7%).
Trong hơn 20 năm qua, việc sử dụng enzyme ngoại sinh trong lĩnh vực thức ăn
chăn nuôi đã phát triển và phát triển vượt bậc. Thị trường enzyme thức ăn chăn ni
trên tồn cầu ước tính đạt hơn 1 tỷ USD và dự kiến sẽ tăng thêm 8% trong vòng 5
năm tới. Hiện tại enzyme Phytase đang chiếm thị phần lớn nhất; tuy nhiên, việc sử
dụng enzyme protease và enzyme xylanase, cũng đã tăng tốc đến mức hiện nay
chúng được đưa vào hơn 57% khẩu phần cho động vật dạ dày đơn. Xu hướng thị
trường tiết lộ rằng xylanase và cellulase chiếm phần lớn thị phần chiếm 20% thị
trường enzyme thế giới, cùng với pectinase.
Trong nhiều năm trở lại đây, nghề ni bị đang đem lại hiệu quả kinh tế cao cho
bà con, khi mà thịt bò, sữa bò trở thành thực phẩm chính yếu của người tiêu dùng cả
nước. Nhu cầu về sữa tăng cao, ngành chăn ni bị sữa được đầu tư xây dựng với
công nghệ hiện đại trên quy mơ lớn. Tính đến nay, đàn trâu 2,3 triệu con, đàn bị 6,4
triệu con, trong đó, bị sữa hơn 375 ngàn con (TCTK 6/2022).
3


Dgtaurus
Nguồn thức ăn cacbohydrat của bò chủ yếu là cỏ khô, rơm rạ và cỏ. Sinh khối
thực vật bao gồm trung bình 23% lignin, 40% cellulose và 33% hemiaellulose tính
theo trọng lượng khơ (1). Xylan là thành phần chính cấu tạo nên hemicellulose.

Đồng thời cũng là một trong những polysaccharid phổ biển nhất trong các lồi thực
vật thơng thường, chiếm 30% tổng trọng lượng khô trong sinh khối thực vật nhiệt
đới (2). Sự hiện diện của xylan khiến cho vách tế bào khó bị phân giải bởi các
enzyme. Hệ tiêu hóa của bị khơng chứa các enzyme chun biệt để tiêu hóa chất xơ,
mà chúng tiêu hóa nhờ vào hệ vi sinh vật đường ruột của chúng. Do đó giải pháp bổ
sung chế phẩm enzyme vào thức ăn chăn nuôi ngày càng phổ biến, nhằm tối ưu hóa
giá trị dinh dưỡng của thức ăn, khả năng tiêu hóa và mang lại giá trị cao. Enzyme
xylanase được bổ sung vào khẩu phần thức ăn cho bị, có tác dụng phân giải xylan,
giải phóng đường xylose và xylooligosaccharide dẫn đến làm giảm độ nhớt của thức
ăn, giúp cho vật ni tiêu hóa và hấp thụ chất dinh dưỡng tốt hơn, cải thiện hệ vi
sinh vật đường ruột theo hướng có lợi cho vật ni.
Tập đồn TH là một trong những doanh nghiệp đầu tư chăn ni bị sữa với số
lượng rất lớn hiện nay. Tiêu biểu như trang trại bò sữa TH tại huyện Nghĩa Đàn, tỉnh
Nghệ An. Trang trại có diện tích 37.000 ha với tổng vốn đầu tư 1,2 tỷ USD và hiện
dự án đã đạt tổng đàn bò 45.000 con. Hơn 30 năm tính từ khi bắt tay vào phát triển
chăn ni bị sữa, đến nay, Vinamilk hiện sở hữu 12 trang trại quy mơ, tổng đàn bị
quản lý và khai thác sữa đạt xấp xỉ 150.000 con. Nguồn enzyme cần để bổ sung vào
thức ăn của trạng trại là rất cần thiết. Nhận thức được vấn đề này, em chọn đề tài
“Thiết kế phân xưởng sản xuất chế phẩm enzyme xylanase bổ sung thức ăn chăn
ni bị” làm đề tài nghiên cứu của mình. Phân xưởng đặt tại Nghệ An với công suất
dự kiến 20 tấn chế phẩm enzyme mỗi năm.
Trên cơ sở những kiến thức đã được học và sự hướng dẫn của thầy giáo trong đồ
án mơn học này, em xin trình bày về “Thiết kế máy sản xuất chế phẩm enzyme
xylanase bổ sung thức ăn chăn ni bị” với các nội dung bao gồm các phần sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Lựa chọn và thuyết minh cơng nghệ
Chương 3: Tính tốn cân bằng sản phẩm
Chương 4: Tính và chọn thiết bị

4

Dgtaurus
Trong quá trình thực hiện đồ án này em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo của thầy…–em xin gửi lời cảm ơn chân thành. Em cũng xin chân thành
cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, các
thầy cô trong Viện công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm nói riêng đã truyền
đạt kiến thức để em nắm được cơ sở lý thuyết và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt
quá trình học tập.
Em xin chân thành cảm ơn!

5


Dgtaurus

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Xylan và tính chất của xylan
1.1.1 Xylan
Xylan là thành phần chính của hemicellulose thực vật, là polysaccharide phổ biến
thứ hai trong tự nhiên chỉ sau cellulose và được tìm thấy trong thành tế bào thực vật.
Xylan còn tham gia vào cấu trúc và giúp lignocellulose bền hơn (3).
Thực vật trên cạn có xylan là chuỗi D-xylosyl được nối với nhau bằng liên kết β1,4, tảo biển tổng hợp xylan với một cấu trúc hóa học khác đó là các monomer Dxylose nối với nhau bằng liên kết β-1,3. Ở một vài lớp Chlorophycaea và
Rhodophycaea khơng có sự hiện diện của cellulose, xylan tạo nên vật liệu hình sợi
trong suốt. Thơng thường, xylan chiếm 3 khoảng 15-30% trọng lượng chất khơ
trong cây hạt kín và khoảng 7-15% trọng lượng chất khô của cây hạt trần. Đặc biệt
trong cây lá rộng, xylan chiếm tới 35% tổng trọng lượng chất khô của thực vật (3).
1.1.2 Cấu trúc của xylan
Cấu trúc của xylan Xylan là một polysaccharide không đồng nhất, bao gồm các
gốc D-xylose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-xylanosidic (β-1,4- Dxylopyranosyl) giữa đường xylopyranose với acetyl, arabinosyl và glucuronysyl (3).

1.1.3 Tính chất của xylan
Xylan khơng mùi, khơng vị. Nhiệt độ hòa tan của xylan phụ thuộc vào nguồn gốc.
Xylan có nguồn gốc từ gỗ cứng có nhiệt độ hòa tan là 150 – 200 oC; còn đối với gỗ
mềm, nhiệt độ hịa tan của nó là 70-130 oC. Trong gỗ cứng, cấu trúc của xylan có
chứa các nhóm acetyl, cịn trong gỗ mềm nó khơng chứa nhóm acetyl. Do đó, xylan
trong gỗ cứng tan trong nước tốt hơn (4).

6


Dgtaurus

Hình 1. 1 Cấu trúc xylan trong cây gỗ (a) gỗ mềm; (b) gỗ cứng
1.2 Tổng quan về Xylanase
Xylanase được dùng để chỉ một phức hệ các enzyme cần thiết cho q trình phân
hủy hồn tồn cơ chất xylan, một polysaccharide không đồng nhất. Trong tự nhiên,
một số vi sinh vật sử dụng các nguồn năng lượng tự sinh ra các loại xylanase khác
nhau. Các loại enzyme này ngoài chức năng phân hủy thành tế bào thực vật còn kết
hợp với các enzyme thủy phân khác tham gia vào quá trình tách dịng (2).
Xylanase hay Endo-1,4-β-xylanase (EC 3.2.1.8, tên hệ thống 4-β- D -xylan
xylanohydrolase). Xylanase thủy phân xylan thành xylooligosaccharides và Dxylose. Endoxylanase là một enzyme quan trọng cho quá trình khử trùng hợp xylan
nói chung. Nó xúc tác q trình thủy phân ngẫu nhiên các liên kết 1,4,-D-xylosid
trong xylan (2).

7


Dgtaurus

Hình 1. 2 Một xylan thực vật giả định và các vị trí bị tấn cơng bởi các enzyme

xylanolytic của vi sinh vật (2).
1.2.1 Nguồn gốc xylanase
Xylanase được sinh tổng hợp bởi nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn và động vật ngun
sinh. Trong các lồi vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp xylanase, nấm, vi khuẩn
và xạ khuẩn là các nhóm quan trọng nhất, đặc biệt là nấm sợi. Các nhóm vi sinh vật
có khả năng sinh xylanase phân bố khá rộng rãi và tham gia tích cực vào các chu
trình tuần hồn vật chất, nhất là các q trình phân giải chất hữu cơ để hình thành
chất mùn (2).
Các loại xylanase được sinh ra bởi vi khuẩn và nấm sợi ưa kiềm có khả năng chịu
nhiệt tốt hơn và do đó chúng được ứng dụng rộng rãi và cho hiệu quả cao hơn trong
công nghiệp (2).
1.2.2 Cấu trúc của xylanase
Cấu trúc bậc ba của phân tử xylanase được xác định bằng cách sử dụng mơ hình
Insight II Molecular. Theo đó, cấu trúc xylanase bao gồm một miền đơn có chứa 2
8


Dgtaurus
vùng cấu trúc β và một miền có chuỗi xoắn α, các cấu trúc này chỉ có ở xylanase hệ
GH11. Cấu trúc chung của phân tử xylanase được ví như “bàn tay phải” với các ngón
tay ở phía dưới và ngón cái nằm phía trên. Trung tâm hoạt động là ngón tay cái, lịng
bàn tay và ngón tay.

Hình 1. 3 Cấu trúc không gian xylanase của Bacillus subtilis (5)
Xylanase được báo cáo lần đầu tiên vào năm 1955. Đó là enzyme thủy phân
xylan, phá vỡ liên kết β-1,4-xylanosidic của xylan thành nhiều xylo-oligosaccharide
có độ dài khác nhau.
1.2.3 Ứng dụng của Xylanase
-

Ứng dụng của xylanase trong công nghiệp thực phẩm
Trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy
Ứng dụng của xylanase trong sản xuất nguyên liệu sinh học
Ứng dụng trong công nghiệp vải sợi
Ứng dụng trong nông nghiệp
Ứng dụng của xylanase trong xử lý môi trường

1.2.4 Vi sinh vật sản xuất xylanase
Xylanase đóng một vai trị quan trọng trong vi sinh vật phát triển mạnh trên các
nguồn thực vật để phân hủy chất thực vật thành các chất dinh dưỡng có thể sử dụng
9


Dgtaurus
được. Xylanase được tạo ra bởi nấm, vi khuẩn, nấm men, tảo biển, động vật nguyên
sinh, ốc sên, động vật giáp xác, cơn trùng, hạt, v.v.; động vật có vú khơng tạo ra
xylanase. Tuy nhiên, nguồn thương mại chính của xylanase là nấm sợi.

Hình 1. 4 Hoạt độ của enzyme xylanase phân lập từ các chủng khác nhau (6)
Xylanase được tạo ra bởi vi khuẩn và xạ khuẩn (Bacillus spp., Pseudomonas spp.,
Streptomyces spp.) có hiệu quả trong khoảng pH rộng hơn từ 5 đến 9 và nhiệt độ 3560ºC.
Các xylanase của nấm (Aspergillus sp., Fusarium sp., Penicillium sp.) có hiệu
quả ở khoảng pH từ 4 đến 6 và nhiệt độ dưới 50ºC (6).
Tuy nhiên, nấm là nhà sản xuất quan trọng do hoạt tính xylanase cao hơn (so với
vi khuẩn, nấm men) năng suất cao và giải phóng enzyme ra ngoại bào (6).

10


Dgtaurus

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT XYLANASE
2.1 Thị trường enzyme

(Nguồn: )
Giá trị thị trường chế phẩm sinh học trong thức ăn chăn nuôi dự kiến đạt 3.113,3
triệu USD vào năm 2021. Thị trường enzyme thức ăn chăn ni hiện đứng thứ tư
tính theo giá trị (dự kiến đạt trên 825 triệu USD vào năm 2023). Đây lại là lĩnh vực
được đánh giá có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong giai đoạn 2018-2023 (tốc độ
CAGR đạt 5,7%).
Thị trường enzyme thức ăn chăn ni trên tồn cầu ước tính đạt hơn 1 tỷ USD và
dự kiến sẽ tăng thêm 8% trong vòng 5 năm tới. Hiện tại Phytase đang chiếm thị
phần lớn nhất; tuy nhiên, việc sử dụng protease và xylanase, cũng đã tăng tốc đến
mức hiện nay chúng được đưa vào hơn 57% khẩu phần cho động vật dạ dày đơn. Xu
hướng thị trường tiết lộ rằng xylanase và cellulase chiếm phần lớn thị phần chiếm
20% thị trường enzyme thế giới, cùng với pectinase.
Trong nhiều năm trở lại đây, nghề ni bị đang đem lại hiệu quả kinh tế cao cho
bà con, khi mà thịt bị, sữa bị trở thành thực phẩm chính yếu của người tiêu dùng cả
nước. Nhu cầu về sữa tăng cao, ngành chăn ni bị sữa được đầu tư xây dựng với
cơng nghệ hiện đại trên quy mơ lớn. Tính đến nay, đàn trâu 2,3 triệu con, đàn bò 6,4
triệu con, trong đó, bị sữa hơn 375 ngàn con (TCTK 6/2022).
11


Dgtaurus
Giải pháp bổ sung chế phẩm enzyme vào thức ăn chăn ni ngày càng phổ biến,
nhằm tối ưu hóa giá trị dinh dưỡng của thức ăn, khả năng tiêu hóa và mang lại giá trị
cao. Enzyme xylanase được bổ sung vào khẩu phần thức ăn cho bị, có tác dụng
phân giải xylan, giải phóng đường xylose và xylooligosaccharide dẫn đến làm giảm

độ nhớt của thức ăn, giúp cho vật nuôi tiêu hóa và hấp thụ chất dinh dưỡng tốt hơn,
cải thiện hệ vi sinh vật đường ruột theo hướng có lợi cho vật nuôi.
Nhân thấy được vấn đề này, em đã chọn sản xuất xylanse để bổ sung vào thực ăn
cho bò.
2.2 Phương án sản phẩm
2.2.1 Tệp khách hàng
Sản phẩm sản xuất cung cấp cho trang trại TH Nghệ An.
2.2.2 Đặc tính mong đợi ở sản phẩm
Mục đích sử dụng của sản phẩm
- Bổ sung vào thức ăn chăn nuôi bị
Bảng 2. 1 Chỉ tiêu hình thức sản phẩm
Chỉ tiêu
Hình thức
Trạng thái vật lý
Sắc độ
Màu
Mùi
Vị
Tính tan

Mơ tả
Dạng bột, rời, khơng ẩm mốc, khô
Rắn
Đục
Màu be
Đặc trưng
Đặc trưng
Không tan trong nước

Bảng 2. 2 Chỉ tiêu chất lượng

Chỉ tiêu

Dạng
Màu sắc
Độ ẩm (%)
Chỉ tiêu kim loại
Arsenic, mg/kg max
Chì, mg/kg max
Cadmium, mg/kg max
Thủy ngân. mg/kg

Bột
Màu be
<10%
2
5
0,5
0,1

12

Yêu cầu


Dgtaurus
Chỉ tiêu vi sinh vật
Salmonella, CFU/25 g
Ecoli, CFU/g
Coliforms, CFU/g

Không được có
<10
<30

Chỉ tiêu vệ sinh an tồn thực phẩm
Tn theo các chỉ tiêu sau:


QCVN 01-190: 2020/BNNPTNT



QCVN 02 - 31 - 2: 2019/BNNPTNT

2.3 Chọn quy trình sản xuất
2.3.1 Chọn chủng sản xuất
Enzyme xylanase có thể được chiết xuất từ: nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn.

13


Dgtaurus
Enzyme dùng để bổ sung vào thức ăn cho bò nên nó cần giữ được hoạt tính trong
mơi trường pH từ 5,5-7 và nhiệt độ khoảng 38-42 oC (môi trường trong hệ tiêu hóa
của bị (7)).
2.3.1.1 Vi khuẩn
Vi khuẩn- giống như trong nhiều trường hợp của các enzyme công nghiệp, đã thu
hút các nhà nghiên cứu vì đặc điểm sản xuất xylanase ưa kiềm và có tính ổn định
nhiệt.
Trong các loài vi khuẩn, chi Bacillus và Streptomyces đặc biệt được quan tâm

nghiên cứu do có khả năng sinh tổng hợp xylanase hoạt tính cao trong pH kiềm và
nhiệt độ cao (8).

Hình 2. 1 các chủng vi khuẩn sản xuất xylanase
2.3.1.2 Xạ khuẩn
Là nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ cao phân tử như
cellulose, hemicellulose, xylan…. Có trong bã thực vật để tạo thành các hợp chất
trung gian, tổng hợp các chất mùn.
Xạ khuẩn là vi sinh vật đơn bào, phân bố rộng rãi trong tự nhiên, thậm chí trên
những cơ chất mà vi khuẩn và nấm mốc không phát triển được.
14


Dgtaurus
Hoạt tính xylanase thu nhận từ các chủng xạ khuẩn được một số tác giả công bố
trên thế giới như Streptomyces chartreusis L1105 (45,16 U/ml), S. albus (32,53
U/ml), S. chromofuscus (43,01 U/ml) (9).
2.3.1.3 Nấm sợi
Ở các nấm thì khả năng sử dụng xylan là khá phổ biến. Ngày càng có nhiều người
sử dụng chế phẩm xylanase tạo ra từ nấm do nó có độ pH tối ưu thấp. Độ pH tối ưu
của xylanase sản xuất từ nấm sợi thấp hơn độ pH tối ưu của enzyme xylanase sản
xuất từ vi khuẩn.

Hình 2. 2 các

chủng nấm sản xuất xylanase

Enzyme dùng để bổ sung vào thức ăn cho bị nên nó cần giữ được hoạt tính trong
mơi trường pH từ 5,5-7 và nhiệt độ khoảng 38-42 oC (môi trường trong hệ tiêu hóa
của bị (7).

Trong đồ án thiết kế này, em sử dụng nấm Thermomyces lanuginosus (D2W3)
làm chủng sản xuất. Với hoạt độ 48.000 U/g chất khơ (9).
Thermomyces lanuginosus là một lồi nấm ưa nhiệt thuộc chi Thermomyces, một
chi phân hủy hemicellulose. Đây là loại nấm chiếm ưu thế trong các đống ủ, do khả
năng chịu được nhiệt độ cao và sử dụng các nguồn carbon phức tạp để làm năng
15


Dgtaurus
lượng. Khi nhiệt độ của đống phân trộn tăng lên và sự sẵn có của các nguồn carbon
đơn giản giảm đi, nó có thể vượt qua hệ vi sinh vật tiên phong cạnh tranh. Nó đóng
một vai trị quan trọng trong việc phá vỡ hemicelluloses được tìm thấy trong sinh
khối thực vật do nhiều enzyme thủy phân mà nó tạo ra, chẳng hạn như
lipolase, amylase , xylanase, phytase và chitinase .
Chủng lựa chọn sản xuất là nấm sợi Thermomyces lanuginosus (D2W3) nên sử
dụng phương pháp lên men rắn với cơ chất là rơm rạ.
2.3.2 Chọn phương pháp lên men
Về ngun tắc có 2 phương pháp ni VSV để thu chế phẩm enzyme (10)
 Phương pháp nuôi cấy bề mặt (trên môi trường lỏng/rắn sốp)
 Phương pháp nuôi cấy bề sâu (ni cấy chìm)
2.3.2.1 Phương pháp ni cấy chìm
Ở phương pháp này người ta cho vi sinh vật phát triển trong mối trường dinh
dưỡng lỏng, có sục khí liên tục. Thành phần dinh dưỡng của mơi trường lỏng thích
hợp cho mỗi vi sinh vật để sinh tổng hợp ra một enzym này hay enzym khác là
khơng giống nhau. Nói chung mơi trường dinh dưỡng phải có thành phần dinh
dưỡng chính sau:
 Nguồn cacbon (hay nguồn năng lượng): chủ yếu lấy từ các loại đường dễ
đồng hoá như: glucose, mantose, rỉ đường, hoặc tinh bột đã thuỷ phân sơ
bộ, ngoài ra có thể từ nguồn phi gluxit như: glycerol, các axit béo V V...
 Nguồn nitơ: có thể ở dạng vơ cơ hoặc hữu cơ. Nitơ vô cơ: (NH 4)2SO4,

NaNO3, (NH4)NO3, ... Ngoài ý nghĩa cung cấp nitơ ra, thành phần và tính
chất của muối vơ cơ cịn quyết định giá trị pH của môi trường nuôi. Nếu
nitơ dưới dạng muối amơn, thì khi ion amoni (NH4+) được cơ thể vi sinh
vật sử dụng, còn lại gốc anion, sẽ gây axit hố mơi truờng, ngược lại nếu
nguồn muối vơ cơ là nitrat thì khi vi sinh vật sử dụng anion (N O /), còn lại
ion kim loại tự do sẽ gây kiềm hố mơi trường. Do vậy việc chọn nguồn
nitơ vơ cơ thích hợp cho vi sinh vật sinh tổng hợp được một enzym nào đó
là rất đáng quan tâm. Nitơ hữu cơ: Thường là nước chiết malt, nước chiết
ngô, hoặc cao ngô, cao nấm men, pepton, bột cá, khô đậu.

16


Dgtaurus
 Muối khống và vitamin: Mơi trường đinh dưỡng ni chìm ngay cả khi
sử dụng nguyên liệu tự nhiên (bột, tinh bột, cellulose) vẫn phải bổ sung
muối vô cơ và một số vitamin cần thiết cho vi sinh vật sinh trưởng và phát
triển như: MgSO4, K2HPO4, KH2PO4, K2SO4, FeSO4… vitamin B1, B12,
Biotin (B8).
Ở phương pháp ni chìm, sự tiết các enzym vào mơi trường xảy ra trong suốt
q trình phát triển.
Đa số enzym thuỷ phân của nấm mốc, xạ khuẩn, vi khuẩn là những enzym ngoại
bào, tuy dược tổng hợp nên ở bên trong tế bào, sau đó mới tiết ra ngồi mơi trường.
Do đó khi kết thúc q trình ni có thể lọc, loại bỏ sinh khối, thu lấy dịch enzym,
đem cô đặc được chế phẩm thô, hoặc tinh sạch tiếp theo. Tuy nhiên có một số
enzym nội bào (enzym liên kết với các bào quan bên trong tế bào). Muốn thu được
enzym cần phải phá vỡ tế bào để tách enzym ra khỏi phần sinh khối tế bào.
Phương pháp chìm có ưu điểm:






Có tính liên tục tiết kiệm được điện tích sản xuất. 
Dễ cơ giới hố và tự động hố, do đó năng suất cao.
Sử dụng hợp lý các chất dinh dưỡng của mơi trường. 
Enzym thu được ít lẫn tạp chất. 

Song phương pháp chìm có một số nhược điểm: 
 Nồng độ enzym trong canh trường thấp, do đó phái cô đặc, nên giá thành
cao. 
 Tốn nhiều điện năng do sục khí liên tục. Khi khơng đảm bảo dược vơ trùng
tuyệt đối thì dễ xảy ra sự nhiễm tồn bộ khối mơi trường. 
 Phương pháp ni chìm là một phương pháp tiến bộ và hiện đại được áp
dụng rộng rãi ở nhiều nước phát triển.
2.3.2.2 Phương pháp nuôi cấy bề mặt
Quá trình lên men ở trạng thái rắn (SSF) được định nghĩa là q trình lên men
trong đó các vi sinh vật phát triển trên bề mặt hoặc bên trong chất nền rắn mà khơng
có nước tự do. Theo định nghĩa rộng hơn, SSF có thể bao gồm các q trình có pha
lỏng ở nồng độ cơ chất tối đa hoặc trên chất mang trơ.

17


Dgtaurus
Môi trường dinh dưỡng này thường gồm các nguyên liệu tự nhiên như cám gạo,
khô cẩm, cám mỳ, tấm gạo, ngơ (chiếm 90-95%) có bổ sung trấu nhỏ hoặc mùn cưa
(khoảng 5-10%) để làm xốp canh trường khiến oxy không khí dễ thâm nhập, tạo
điều kiện cho vi sinh vật phát triển tốt. 
Về cơ bản các nguyên liệu trên cung cấp đủ chất dinh dưỡng như: nitơ, cacbon,

vitamin, muối khoáng cho vi sinh vật phát triển. Tuy nhiên muốn có mơi trường
dinh dưỡng tốt hơn có thể bổ sung thêm nitơ vô cơ: amonsulfat, natri nitrat, ure,
hoặc nitơ hữu cơ như cao nấm men, cao ngô, dịch chiết malt, ... và các chất cảm ứng
tuỳ theo từng loại enzym.
SSF cung cấp một mơi trường hồn tồn khác với lên men chìm (SmF) cho sự
phát triển và trao đổi chất của tế bào. SSF thích hợp cho việc ni cấy nấm men và
nấm sợi vì chúng có thể phát triển ở độ ẩm thấp. Về mặt cơng nghệ, SSF có một số
ưu điểm so với SmF:
Ưu điểm của phương pháp lên men rắn vượt trội hơn lên men chìm là:
- Sản xuất hiệu quả các chất chuyển hóa thứ cấp như enzyme, chất tạo hương,
chất tạo màu, hợp chất có vịng thơm cũng như các chất dược liệu.
- Loại bỏ độc tố và các chất bất lợi khác từ thức ăn và thức ăn chăn nuôi cũng
như làm giàu protein và vitamin cho những thứ này.
- Lên men rắn mô phỏng theo phát triển trong tự nhiên của vi sinh vật đặc biệt
là của nấm.
- Ít nhiễm vi khuẩn do hoạt độ nước thấp.
- Khả năng sinh tổng hợp enzyme cao.
- Không bị ức chế bởi nồng độ cơ chất => cho phép nồng độ sản phẩm cao.
- Sử dụng được nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp.
Phân loại thiết bị lên men rắn thành 4 nhóm dựa theo 2 thơng số đảo trộn và
thơng khí:
-

Đảo trộn: khơng đảo trộn - có đảo trộn (đảo theo tần xuất, liên tục).
Thơng khí: khơng cưỡng bức – cưỡng bức.

Các thiết bị lên men rắn:
-

Thiết bị lên men rắn dạng khay.

Packed – bed Bioreactors.
18


Dgtaurus
-

Thiết bị dạng thùng quay và đảo trộn.
Thiết bị phản ứng đảo trộn.

=> Căn cứ vào ưu nhược điểm của hai phương pháp và sự phù hợp với nguyên
liệu để sản xuất enzyme, chọn phương pháp lên men bề mặt.
Chế phẩm enzyme xylanase là sản phẩm bậc 2 do đó cần điều kiện mơi trường
ni cấy duy trì ổn định để vi sinh vật phát triển tạo sản phẩm.
=> Chọn thực hiện lên men theo mẻ.
2.3.3 Thành phần môi trường
2.3.3.1 Nguồn cacbon
Nhiều nguồn carbon đã được thử nghiệm để sản xuất xylanase bởi T. lanuginosus
(D2W3) bằng phương pháp lên men rắn (9).

Hình 1. 5 Nguồn cacbon đã được thử nghiệm để sản xuất xylanase (9)
Trong tất cả các nguồn cacbon, rơm rạ sản xuất xylanase có hoạt độ tối đa.
Rơm rạ là nguồn phế thải trong nông nghiệp, bao gồm phần thân và cành lá của
cây lúa, sau khi đã tuốt hạt lúa. Theo Cục Trồng trọt, Bộ Nông nghiệp và Phát triển
nơng thơn (NN&PTNT), hằng năm ước tính nước ta có khoảng 45 triệu tấn rơm khơ,
8 triệu tấn trấu, 30-50 triệu phế phụ phẩm thực vật khác.
Các thành phần chính của rơm, rạ là những hydratcacbon gồm: licnoxenlulozơ,
37,4%; hemixenlulozơ (44,9%); lignin 4,9% và hàm lượng tro (oxit silic) cao từ 9,
đến 14%.

19