Sản phẩm lên men khác

SẢN XUẤT MỘT SỐ SẢN PHẨM
LÊN MEN KHÁC


Mục tiêu:
Trình bày được
- Qui trình sản xuất acid hữu cơ
- Qui trình sản xuất acid amin bằng con đường lên
men
- Qui trình sản xuất vitamin


SẢN XUẤT ACID HỮU CƠ


Acid lactic
Đại cương
- Do nhà hóa học Thụy điển Carl Wihelm Scheele phân
lập lần đầu tiên năm 1780
- Có 02 dạng đồng phân quang học L(+) và D (-)

COOH
H C OH
CH3
D-lactic acid

COOH
OH C

H

CH3
L- lactic acid


Acid lactic
Vai trò
- Ngành thực phẩm và nước giải khát: điều chỉnh pH,
bảo quản, điều chỉnh hương vị, phomat,…
- Ngành dược phẩm:
• Dung dịch tiêm truyền cung cấp năng lượng, cân
bằng pH, bổ sung thể tích máu (Lactat Ringer),…
• Dạng muối lactat có khả năng hòa tan, hấp thu,
chuyển hóa tốt (ciprofloxacine)
- Ngành mỹ phẩm: chất làm ẩm
- Ngành công nghiệp: túi sinh học, an toàn môi trường


Acid lactic
Sản xuất công nghiệp
- Được sản xuất lần đầu tiên do Charles E. Avery
(Littleton, Massachusetts, USA), năm1881
- Có 02 phương pháp:
1. Tổng hợp hóa học
2. Lên men carbohydrate


Acid lactic
Sản xuất bằng pp hóa học
- Dựa trên lactonitril:

• Hydrogen cyanide được thêm vào acetaldehyde có sự
có mặt của kiềm
• Pư xảy ra ở dạng lỏng, áp suất cao
- Tinh chế lactonitril thô bằng pp chưng cất
- Thủy phân lactonitril thành acid lactic bằng acid HCl đậm
đặc hoặc H2SO4
- Ester hóa acid lactic bằng MeOH, tạo methyl lactate
- Tinh chế methyl acetate bằng pp chưng cất
- Thủy phân methyl lactate bằng acid, tạo acid lactic
Sản phẩm là hỗn hợp racemic (+), (-) acid lactic


Acid lactic
Cộng hợp hydrogen cyanide
CH3CHO
HCN
+
acetaldehyde hydrogen cyanide

catalyst

CH3CHOHCN
lactonitrile

Thủy phân bằng acid sulfuric
CH3CHOHCN + H2O + 1/2 H2SO4
Lactonitrile

CH3CHOHCOOH + 1/2(NH4)2SO4
lactic acid

ammonium salt

Ester hóa
CH3CHOHCOOH
lactic acid

CH3CHOHCOOCH3
methyl lactate

+

Thủy phân bằng nước
CH3CHOHCOOCH3
methyl lactate

CH
CH3CHO
3OH
methanol

+

H 2O

CH3CHOHCOOH
lactic acid

+ H 2O

+

CH3OH
methanol

Sơ đồ quá trình tổng hợp acid lactic bằng pp hóa học


Acid lactic
Sản xuất bằng pp hóa học: 1 số qui trình khác
- Oxy hóa propylene glycol

- Thủy phân acid chloropropionic
- Oxy hóa propylene
- Pư giữa acetaldehyde, carbon monoxide và nước ở
nhiệt độ và áp suất cao


Acid lactic
Sản xuất bằng pp lên men:
- Lên men carbohydrate
- Có thể tạo dạng L(+) hay D (-) tùy theo chủng vi
khuẩn sử dụng
- Gồm các bước chính:
• Lên men carbohydrate tạo calcium lactate
• Thủy phân calcium lactate
• Tinh chế acid lactic


Acid lactic
Gđ lên men carbohydrate và trung hòa acid

C6H12O6

+

Ca (OH)2

(2CH3CHOHCOO- ) Ca2+ 2H2O

Carbohydrate

Calcium lactate

Thủy phân calcium lactate
2(CH3CHOHCOO-) Ca2 + H2SO4

2 CH3CHOHCOOH + Ca SO4

Calcium lactate

Lactic acid

Tinh chế acid lactic: giống pp hóa học
- Ester hóa bằng MeOH
- Thủy phân methyl lactate, thu acid lactic


Acid lactic
Tóm tắt các giai đoạn sản xuất bằng pp lên men:
- Lên men carbohydrate
- Lọc dịch nuôi cấy để loại bỏ tế bào

- Calcium sulfate không hòa tan được lọc bỏ
- Tinh chế acid lactic bằng thủy phân, ester hóa, chưng
cất


Acid lactic

Quá trình lên men
sx acid lactic


Acid lactic
Cơ chế lên men: 02 cơ chế
- Lên men lactic đồng hình: acid lactic chiếm đa số
• Phân giải đường theo con đường EM, sử dụng
enzyme aldolase Æ acid pyruvic
• Acid pyruvic Æ acid lactic
- Lên men lactic dị hình: acid lactic chiếm tỉ lệ thấp, hỗn
hợp sản phẩm gồm acid acetic, acid formic, CO2
• Phân giải đường theo con đường
hexosomonophosphate (HMP), sử dụng enzyme
phosphoketolase


Acid lactic
Cơ chế lên men lactic đồng hình:
- Mono hoặc disaccharide Æ acid pyruvic theo con
đường phân Embden - Mayerhoff (EM)
- Trong điều kiện kỵ khí, acid pyruvic Æ acid lactic do
enzyme lactate dehydrogenase (LDH) xúc tác

- LDH qui định sản phẩm lên men là L(+) hay D(-) acid
lactic (do gen ldhL hay ldhD, tùy theo chủng vi khuẩn)
• Gen mã hóa enzyme L(+) LDH được nghiên cứu ở
L. plantarum
• Gen mã hóa enzyme D(-) LDH được nghiên cứu ở
L. johnsonii


Acid lactic
Nguyên liệu
Chủng vi khuẩn: nguyên tắc lựa chọn
- Lên men nhanh chóng và hoàn toàn từ các nguyên
liệu rẻ tiền
- Sản xuất dạng đồng phân cần thiết với hiệu suất cao
- Ít sản phẩm phụ


Acid lactic
Nguyên liệu:
Nguồn carbon: sử dụng các nguồn carbohydrate khác
nhau (5-20%, tốt nhất 12%)
Sucrose
L. delbreuckii
- delbreuckii
L. delbreuckiibulgaricus

Lactose

Galactose

+
+

L. amylophylus
, L. amylovirus

L. helveticus

Tinh bột

+
+

+


Acid lactic
Nguyên liệu:
Nguồn nitơ: sử dụng các nguồn nitơ khác nhau: cao
nấm men (5-15 g/l), mầm lúa mạch, peptone, thịt bò,
casein thủy phân
Vitamin: các vitamin B (vit B6)
Nguyên tố vi lượng: P, K, Mg, S: ảnh hưởng không rõ


Acid lactic
Điều kiện lên men:
- Tốc độ thông khí: 50 rpm/phút
- Nhiệt độ:
• Ưa nhiệt (45 – 62 oC)

• Không ưa nhiệt (25 – 45 oC)
- pH: >4,5, tốt nhất 5,5 – 6,5. Các chất điều chỉnh pH:
NaHCO3, Na2CO3, NaOH, NH4OH


Acid lactic
Qui trình lên men: 02 qui trình chính cho hiệu suất cao
- Lên men liên tục
- Lên men từng lô mẻ


Acid lactic
Lên men liên tục
Ưu điểm:
- Năng suất cao 117 g/l/h
- Cung cấp tế bào liên tục Æ gia tăng nồng độ acid
lactic L(+) tinh khiết
Nhược điểm:
- Nồng độ acid lactic thấp
- Mật độ tế bào cao Æ khuấy trộn môi trường không
đều


Acid lactic
Thu hoạch acid lactic
- Dung dịch lên men có thể chứa acid lactic tinh khiết,
hay dạng muối hoặc cả hai dạng
- 1 số phương pháp tách chiết acid lactic:
• Dùng dung môi
• Sắc ký trao đổi ion

• Sắc ký hấp phụ
• Chưng cất chân không
• Trao đổi qua màng


Acid lactic
Qui trình thu hoạch acid lactic
- Lọc bỏ loại vi khuẩn
- Chuyển sang dạng muối Na+ hay Ca2+ bằng NaOH hay
Ca(OH)2, pH 5,8
- Giảm pH 1,6 và chạy cột sắc ký với nhựa trao đổi
cation, rửa cột bằng H2SO4 loãng


Acid gluconic
Đại cương
- Năm 1870, Hlasiwetz và Habermann phát hiện
- Năm 1880, Boutroux tìm thấy các vi khuẩn sinh acid
acetic có thể sản xuất acid gluconic
- Năm 1922, Molliard tìm thấy acid gluconic từ A. niger
- Hiện nay, acid gluconic có thể sản xuất từ nhiều chủng
như Pseudomonas, Acetobacter, Gluconobacter và
nhiều chủng nấm