TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG LÊN MEN SẢN XUẤT L-LYSINE

Sinh viên Nguyễn Thị Hồng Tươi
MSSV

20175335

Lớp

KTSH.01 – K62

Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Lê Thanh Hà
Bộ môn:

Công nghệ sinh học

Viện:

Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm
Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 8 - 2021


Đồ án chuyên ngành

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

LỜI MỞ ĐẦU
L-lysine là một axit amin khơng thay thế, đóng vai trò quan trọng trong cơ
thể người và động vật. Lysine có thể được cung cấp qua các thực phẩm giàu
lysine như trứng, sữa, đậu tương, cá, … có thể bổ sung trực tiếp. Tuy nhiên, trong
ngày nay, lượng L-lysine trong các thực phẩm này vẫn chưa đủ để cung cấp cho
con người và động vật, nên cần bổ sung bằng cách sản xuất L-lysine thành dạng
thuốc hay thức ăn cho con người và động vật. Nhờ đó mà ngành cơng nghiệp sản
xuất L-lysine ngày một phát triển hơn.
Hiện nay, L-lysine được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men từ
các chủng vi sinh vật. Việc sử dụng các chủng vi sinh vật có khả năng sản xuất Llysine có ý nghĩa về sản lượng L-lysine lớn, nguồn nguyên liệu rẻ tiền, hiệu quả
kinh tế cao. Vì những vai trị, ứng dụng thiết yếu của L-lysine, em xin thực hiện
đề tài “Thiết kế phân xưởng lên men sản xuất lysine từ rỉ đường năng suất 40000
3

m dịch lên men/năm”.
Trong thời gian làm đồ án chuyên ngành, em đã nhận được sự hướng dẫn,
giúp đỡ nhiệt tình của cơ PGS. TS. Lê Thanh Hà, em xin chân thành cảm ơn cô.

1


Đồ án chuyên ngành

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................

1


PHẦN 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ..........................................................................

6

1.1. Giới thiệu về Lysine ................................................................................. 6
1.1.1.

Tính chất ......................................................................................... 6

1.1.2.Vai trị của L-lysine ........................................................................

6

1.1.3.Tình hình phát triển của cơng nghiệp sản xuất L-lysine trên thế
giới…………. ................................................................................................

8

1.1.4.Các phương pháp sản xuất L-lysine ...............................................

8

1.2. Sử dụng vi sinh vật để lên men sản xuất L-lysine .................................. 10
1.2.1.

Chủng sản xuất ............................................................................. 10

1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng quá trình lên men L-lysine .......................
1.2.3.


12

Rỉ đường ....................................................................................... 16

PHẦN 2. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH ............................. 19
2.1. Đặc tính kỹ thuật của chủng ................................................................... 19
2.2. Đặc điểm của q trình lên men ............................................................. 20
2.3. Quy trình cơng nghệ ............................................................................... 20
2.3.1.Chuẩn bị môi trường lên men .......................................................
2.3.2.Thanh trùng mơi trường

20

............................................................... 24

2.3.3.

Hoạt hố giống ............................................................................. 24

2.3.4.

Nhân giống ................................................................................... 25

2.3.5.

Lên men ........................................................................................ 25

2.3.6.Thu hồi sản phẩm .........................................................................


26

PHẦN 3. CÂN BẰNG SẢN PHẨM ................................................................... 28
3.1. Cân bằng sản phẩm ................................................................................. 28
3.1.1.Nhân giống thứ cấp bậc 2 .............................................................

29

3.1.2.Nhân giống thứ cấp bậc 1 .............................................................

29

3.1.3.Nhân giống sơ cấp ........................................................................

30

3.1.4.

Hoạt hóa giống ............................................................................. 30

3.2. Chuẩn bị môi trường lên men ................................................................. 31
2


Đồ án chuyên ngành

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

3.2.1.


Thành phần môi trường lên men.................................................. 31

3.2.2.

Xử lý rỉ đường............................................................................. 32

3.2.3.

Xử lý tinh bột ngô........................................................................ 33

3.2.4. Nguồn Nitơ và các chất dinh dưỡng khác.............................................. 34
3.3. Nhu cầu Oxy.......................................................................................... 35
3.4. Nguyên liệu cho quá trình CIP (Cleaning in plance)..............................36
3.5. Tổng kết................................................................................................. 37
PHẦN 4. TÍNH TỐN THIẾT BỊ...................................................................... 40
4.1. Thiết bị lên men chính........................................................................... 40
4.1.1. Tính tốn phần thiết bị....................................................................... 40
4.1.2. Khuấy trộn........................................................................................ 42
4.1.3. Thanh chắn........................................................................................ 43
4.1.4. Tính tốn sục khí và khuấy trộn........................................................ 43
4.2. Lựa chọn các thiết bị khác...................................................................... 51
KẾT LUẬN......................................................................................................... 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 .............................................................................
Hình 2. Sự tăng trưởng trong sản xuất L-lysine trên toàn cầu [4] .........................
Hình 3. Hình ảnh vi khuẩn C. glutamicum ..........................................................
Hình 4. Con đường sinh tổng hợp L-lysine ở chủng Corynebacterium
glutamicum [9] .....................................................................................................

6
8
11
12

Hình 5. Sinh tổng hợp lysine nhờ chủng C. glutamicum Lys-12 sử dụng rỉ đường
19
Hình 6. Sơ đồ cơng nghệ sản xuất L-lysine từ rỉ đường [2,9] ............................. 20
Hình 7. Cấu tạo của thiết bị lên men [1] .............................................................. 40
Hình 8. Cánh khuấy loại đĩa tuabin và tiêu chuẩn thiết kế (Rushton impeller) [11]
42
Hình 9. Nhu cầu oxy của chủng C. glutamicum bacterium lên men L-lysine ..... 45
Hình 10. Quan hệ giữa Power number và Reynold ............................................. 47
Hình 11. Quan hệ giữa Na và tỉ lệ Pg/Pu ............................................................. 48
[9] .........................................................................................................................

..............................................................................................................................


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] .. 7

Bảng 2. Thành phần chính trong rỉ đường mía [2].............................................. 17
Bảng 3. Thành phần các chất tro trong rỉ đường mía (%) [2]..............................17
Bảng 4. Thành phần và nồng độ môi trường nhân giống thứ cấp bậc 2..............29
Bảng 5. Thành phần và nồng độ môi trường nhân giống thứ cấp bậc 1..............29
Bảng 6. Thành phần và nồng độ mơi trường hoạt hố và nhân giống sơ cấp......30
Bảng 7. Thành phần môi trường lên men............................................................ 31
Bảng 8. Tổng kết nhu cầu nguyên liệu................................................................ 37
Bảng 9. Các thơng số của thiết bị lên men chính................................................ 50
Bảng 10. Các thiết bị phụ.................................................................................... 51


5


Đồ án chuyên ngành

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

PHẦN 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1.


Giới thiệu về Lysine

1.1.1. Tính chất
Lysine ký hiệu Lys, cịn có tên gọi khác là 2,6-diaminohexanoic acid, có
cơng 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 khơng
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.
1.1.2. Vai trị của L-lysine
Trong cơ thể, lysine vừa đóng góp phần xây dựng tế bào, vừa đóng vai trị
quan trọng trong q trình chuyển hố các chất. Khơng chỉ có những giá trị sinh
học của protein, lysine cịn thực hiện nhiều chức năng sinh hố 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, cịi cọc, trí tuệ kém phát triển. Ngồi ra, lysine cịn 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 cịn đóng vai trị 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 ngơ, 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. Bổ sung 0.9% L-lysine vào khẩu phần thức ăn
cho gà thì tăng khối lượng 28.9%. 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 thơ có lợi hơn so với L-lysine tinh khiết vì cịn chứa các vitamin khác
như B1, B2, PP [1,2].
Bảng 1. Hàm lượng lysine trong 100g phần ăn được của một số thực phẩm [3]
Thực phẩm

Hàm lượng
(mg/100g)

Thực phẩm

Hàm lượng

(mg/100g)

Cá ngừ

2147

Khoai tây

100

Ca hồi

1985

Gạo tẻ

239

Cá thu

1600

Ngơ bắp tươi

100

Cá chép

1249


Vừng

680

Thịt bị

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
(100 g đậu/L)

162

Đậu Hà Lan

1772

Sữa chua

360


Khoai lang

30

Pho mát

1883

1.1.3. Tình hình phát triển của cơng 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 đốn 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].

Hình 2. Sự tăng trưởng trong sản xuất L-lysine trên toàn cầu
[4] 1.1.4. 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 hố học

−

Phương pháp cơng 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).
1.1.4.1.

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.
1.1.4.2.

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.
1.1.4.3.

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-εcaprolactam. 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
1.1.4.4.

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

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 Lamino acid, đây cũng là phương pháp chủ yếu được sử dụng vào sản xuất Llysine. Trong các thiết bị lên men, vi sinh vật được nuôi cấy với mật độ cao và

điều kiện ni cấy được kiểm sốt chặt chẽ. Các chủng lên men sinh tổng hợp LLysin 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 q trình phụ thuộc vào chi phí cho ngun liệu thơ, hiệu suất
lên men, chi phí cho q trình tách, tinh chế và thu hồi sản phẩm.

1.2.

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 lồi
Corynebacterial, đặc biệt là C. glutamicum. 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]. Lên
men từ các chủng đột biến có thể thu được L-lysine với nồng độ 50-100 g/L từ
nguyên liệu rỉ đường trong 30-100 giờ [6], và có thể lên đến 170 g/L với các
chủng C. glutamicum đột biến [1]. Hiệu suất của quá trình lên men có thể đạt từ
40-50% (g L-lysine /100 g nguồn C) [6], 50-55% (g L-lysine /100 g nguồn C) [7]
và có thể đạt đến 82% g L-lysine HCl/ 100g nguồn glucose) [1].
1.2.1. Chủng sản xuất
10



Đồ án chuyên ngành
1.2.1.1.

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Đặc điểm của chủng sản xuất

Hình 3. Hình ảnh vi khuẩn C. glutamicum
C. glutamicum là vi khuẩn hiếu khí, gram dương, khơng tạo bào tử, khơng
di động, tế bào dạng hình que, tạo khuẩn lạc hơi vàng. Chủng này yêu cầu biotin
o

để phát triển và nhiệt độ nuôi cấy khoảng 30 C. Hầu hết các chủng đều có thể sử
dụng acid acetic, etanol, glucose, hay saccarose để sản xuất axit amin [2, 5].
Ngoài ra, các chủng khuyết dưỡng homoserine (hay chủng khuyết dưỡng
methionine – threonine) cần được bổ sung các axit amin trong mơi trường ni
cấy (methionine, threonine) [1, 2].
C. glutamicum có nhiều đặc tính sinh lý cơ bản chiếm ưu thế cho việc sản
xuất L-lysine ở quy mô công nghiệp. Chủng C. glutamicum là chủng an toàn cho
con người, tăng trưởng nhanh với mật độ tế bào cao, ổn định về mặt di truyền,
khơng tự phân giải và duy trì hoạt động trao đổi chất trong điều kiện tăng trưởng,
hoạt động protease thấp, lợi thế trong sản xuất protein tái tổ hợp, tính chất trao
đổi thứ cấp mạnh mẽ, có thể sử dụng nguồn C đa dạng, …
1.2.1.2.

Cơ chế tổng hợp L-lysine

Cơ chế sinh tổng hợp L-lysine ở tế bào C. glutamicum được giải thích từ
aspactic (L-asp). Từ acid aspactic, một đường tạo thành L-lysine và con đường còn
lại tạo thành homoserine. Phản ứng đầu tiên của quá trình sinh tổng hợp L-lysine

được xúc tác bằng enzyme aspactate kinase (AK). Tuy nhiên, enzyme này bị ức chế
bởi 2 sản phẩm cuối là lysine và threonine [8]. Vì vậy người ta đã tạo ra chủng

11


Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 khuyết dưỡng
homoserine (hay chủng khuyết dưỡng methionine- threonine) để sử
dụng trong lên men sản xuất L-lysine.

Hình 4. Con đường sinh tổng hợp L-lysine ở chủng Corynebacterium glutamicum
[9]
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng q trình lên men L-lysine
1.2.2.1.

Mơi trường lên men


Thành phần môi trường lên men là một yếu tố rất quan trọng, ảnh hưởng
lớn đến quá trình lên men và thường được nghiên cứu để tối ưu hoá quá trình sản
xuất. Mơi trường lên men cần tạo điều kiện tốt cho sự sinh trưởng của vi sinh vật
và phù hợp với quy mô sản xuất.
1.2.2.1.1. Nguồn cacbon (C)
12


Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Các chủng đột
biến của Corybacterium và các lồi gần có khả năng lên men
sản xuất amino acid từ các loại ngun liệu rẻ tiền, các lồi vi sinh vật có thể sử
dụng nhiều nguồn cacbohydrat riêng lẻ hoặc phối trộn với nhau để sinh lysine như

glucose, fructose, sucrose, rỉ đường, maltose, tinh bột thuỷ phân, lactose, cellulose,
các acid hữu cơ như acid acetic, propionic acid, các loại cồn như etanol, propanol,
các loại hydrocacbon như dầu và chất béo như dầu đậu nành, dầu hướng dương, dầu
dừa, cũng như các loại acid béo như palmitric acid, stearic, …

Nguồn C được sử dụng ảnh hưởng đến tồn bộ q trình lên men, nguồn
nguyên liệu này cần có ý nghĩa kinh tế để giảm giá thành sản phẩm, tuy nhiên
cũng cần tạo ra sản lượng đủ lớn để phù hợp với quy mô cơng nghiệp.
Trong trường hợp L-lysine sản xuất từ lồi Corynebacterium glutamicum,
nguồn C sử dụng phụ thuộc vào tình hình địa phương sản xuất, rỉ đường (rỉ
đường mía, rỉ đường củ cải), tinh bột ngô, sắn thuỷ phân đều là các nguồn được
sử dụng chủ yếu trong sản xuất công nghiệp. Tinh bột thuỷ phân được sử dụng
tương đối phổ biến ơ Bắc Mĩ, ở Châu Âu và Nam Mĩ lại sử dụng rỉ đường.
1.2.2.1.2. Nguồn nito
Nhiều nguồn nito được sử dụng riêng lẻ hoặc theo cùng với nhau để sản
xuất lysine, bao gồm các hợp chất vô cơ như ammonia khí cùng dung dịch, muối
ammonium của acid hữu cơ hoặc vơ cơ như ammonium sulfate, ammonium
nitrate, ammonium acetate, … Ngồi ra, các nguyên liệu chứa nito khác như đậu
tương thuỷ phân, bã đậu tương, casein thuỷ phân, cao nấm men, cao thịt, chiết
xuất malt, ure, peptone, và các amino acid.
1.2.2.1.3. Muối vơ cơ, ngun tố khống, yếu tố sinh trưởng
Các thành phần môi trường khác cũng thường được thêm vào môi trường
lên men trước khi cấy giống hoặc trong quá trình sinh trưởng như muối vơ cơ,
kim loại ví dụ như sodium, zinc, … hay nhiều các nguyên tố kim loại khác. Acid
phosphoric, potassium dihydrogen phosphate, hay muối phosphate của sodium
được sử dụng như nguồn phosphorous cho quá trình lên men. Các nhân tố sinh
13


Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 trưởng như

vitamin (biotin, pantothenic axit muối Ca, thiamin. HCl), amino acid hoặc các
tiền chất có thể được bổ sung vào môi trường lên men.
1.2.2.2.

Nguồn oxy

Lên men sản xuất L-lysine là q trình lên men hiếu khí và năng suất phụ
thuộc nhiều vào việc cung cấp oxy cho q trình ni cấy. Điều kiện hiếu khí được
duy trì bằng cách sục khí hay khơng khí được làm giàu oxy qua trường bằng cánh
khuấy. Việc khuấy sẽ phá vỡ các bọt khí làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng tốc độ
truyền oxy. Khó khăn trong lên men là thể tích thiết bị lên men cùng các giai đoạn
khác nhau nên việc đảm bảo cung cấp oxy đủ và đồng đều là rất khó khăn, đồng thời
việc kiểm sốt truyền oxy tế bào nuôi cấy cũng là một thử thách.

1.2.2.3.

Nhiệt độ

Nhiệt độ tối ưu cho các chủng C. glutamicum theo truyền thống là khoảng
o

30 C, nhưng các chủng loại vi khuẩn hoang dại này có thể chịu được nhiệt độ
O

phát triển lên đến 40 C và cũng tạo ra sản lượng L-lysine tương đương cao ở
O

nhiệt độ đó. Nhiệt độ lên men L-lysine hoạt động trong khoảng 25-50 C (tối ưu
o


ở khoảng 35-45 C) đối với các chủng vi khuẩn Corynebacteria. Như vậy, với
mỗi chủng khác nhau cần xem xét, khảo sát nhiệt độ của chủng để chọn được
nhiệt độ lên men phù hợp.
1.2.2.4.

Độ pH

Quá trình lên men L-lysine với vi khuẩn Corynebacteria thường được thực
hiện trong khoảng pH từ 6 đến 9. pH của quá trình thường được điều khiển bằng
NaOH, KOH, ammonia.
1.2.2.5.

Chất chống tạo bọt (Antifoaming)

Bọt tạo thành trong quá trình lên men được kiểm soát bằng cách bổ sung
chất phá bọt.
Các chất phá bọt thường là các chất hữu cơ như acid béo, polyglycol
esters, silicone, polypropylene, …
1.2.2.6.

Các phương pháp lên men
14


Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Các phương pháp
lên men thường được sử dụng để sản xuất L-lysine là lên
men theo mẻ, lên men cấp dưỡng và lên men bán liên tục.
Lên men theo mẻ (batch fermentation)
Tất cả dinh dưỡng được bổ sung vào thiết bị lên men ngay từ đầu. Quá trình
lên men bắt đầu bằng cách cấp giống từ các thùng nhân giống vào các thùng lên men

và theo và kết thúc khi các chất dinh dưỡng được tiêu thụ hết (thường là nguồn C).
Nhược điểm của phương pháp này là chỉ có thể sử dụng một lượng hạn chế nguồn C
trong môi trường tăng trưởng, làm hạn chế nồng độ L-lysine tối đa được sinh ra. Nếu
nồng độ nguồn C ban đầu cao, sẽ dẫn đến độ thẩm thấu cao có thể kéo dài pha lag
của chủng, làm giảm năng suất [1]. Nếu nồng độ glucose cao hơn 120 g/L sẽ gây ức
chế đến sự sinh trưởng của vi khuẩn, dẫn đến hiệu suất lên men thấp
[10]. Mặc dù phương pháp lên men này khơng cịn là phương pháp chiếm ưu thế

trong sản xuất L-lysine trong cơng nghiệp, nhưng nó vẫn được sử dụng trong
nhiều nhà máy có quy mơ nhỏ trên thế giới.
Lên men cấp dưỡng (fed- batch fermentation)
Đây là quy trình được ưa chuộng để sản xuất công nghiệp hầu hết các Laxit amin, bao gồm cả L-lysine. Trong quá trình này, các chất dinh dưỡng được
đưa vào thùng lên men có kiểm sốt, có thể sử dụng để phân tách giai đoạn tăng
trưởng và sản xuất, điều này giúp dẫn đến năng suất và sản lượng L-lysine cao
hơn. Lên men cấp dưỡng cho phép kiểm soát nhu cầu oxy của quá trình, tránh
giới hạn oxy và hình thành các sản phẩm phụ [1].
Lên men bán liên tục (Repeated fed-batch)
Còn gọi là phương pháp lên men cấp dưỡng lặp lại, phương pháp này có thể
cải thiện hơn so với phương pháp lên men cấp dưỡng. Quá trình này, sau khi thùng
lên men được lấp đầy hoàn toàn, hầu hết các tế bào vi sinh vật được loại bỏ để xử lý
ở phía dưới, bao gồm cả tinh chế sản phẩm. Nhưng một phần cố định khoảng 1020% dịch lên men được giữ lại và được sử dụng cho lần lên men tiếp theo.

15


Đồ án chuyên ngành

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Ưu điểm của phương pháp này là năng suất tổng thể cao hơn, chủ yếu nhờ

giảm thời gian chuẩn bị (thùng lên men rỗng, rửa, khử trùng thiết bị lên men
cũng như giảm nhu cầu nhân giống) và tăng thời gian sản xuất. Tuy nhiên, nhược
điểm của phương pháp này đó là nguy cơ nhiễm tạp cao hơn và thay đổi di truyền
của chủng sản xuất do số lượng thế hệ cao [1].
Lên men liên tục
Phương pháp lên men này đang được nghiên cứu với tiềm năng cho năng
suất cao và giảm chi phí đầu tư. Tuy nhiên, phương pháp này cho đến nay vẫn
hạn chế sử dụng trong sản xuất L-lysine công nghiệp. Những hạn chế của phương
pháp này như chủng sản xuất có thể đột biến tự phát do trải qua nhiều thế hệ
trong điều kiện sinh trưởng hạn chế cơ chất, nguy cơ nhiễm cao hơn so với các
phương pháp khác [1].
1.2.2.7.

Thu hồi sản phẩm

Tách chiết và tinh sạch sản phẩm là một khâu quan trọng trong việc đảm
bảo hiệu quả của quá trình sản xuất, ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm, thường
xuyên được nghiên cứu để cải tiến q trình.
Có nhiều cơng nghệ thu nhận lysine từ dịch lên men khác nhau, việc chọn
lựa công nghệ tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như mục đích sử dụng của sản phẩm,
nguyên liệu sử dụng, quy định về môi trường ở địa phương, …
Ngày nay, để thu nhận lysine sử dụng cho thức ăn chăn nuôi đã được cải
tiến đơn giản và bớt tốn kém. Sau khi loại bỏ sinh khối, dịch được đem đi cô đặc
chân không luôn, có thể đem đi sấy phun. Sản phẩm cuối cùng có thể dạng lỏng
hoặc dạng hạt.
1.2.3. Rỉ đường
Thành phần quan trọng nhất của mơi trường ni cấy chính là nguồn cacbon.
Việc lựa chọn nguồn cacbon ở một mức độ lớn phụ thuộc vào sự sẵn có tại địa điểm
của nhà máy sản xuất. Rỉ đường được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và Nam Mỹ,
trong khi tinh bột thuỷ phân phổ biến nhất ở Bắc Mỹ và Châu Á. Việc sử dụng


16


Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 rỉ đường và các
nguồn cacbon phức tạp khác cho quá trình lên men vi sinh đã giảm trong vài năm
qua và hơn 70% sản lượng L-lysine trong công nghiệp ngày nay dựa vào tinh bột
thuỷ phân giàu glucose từ ngô, lúa mì hay sắn.
Tại Việt Nam, rỉ đường mía chính là nguồn nguyên liệu thích hợp cho sản
xuất L-lysine với lượng rỉ đường lớn và rẻ tiền. Niên vụ 2018-2019, sản lượng mía
tại Việt Nam đạt 12.2 triệu tấn, niên vụ 2019-2020 sản lượng mía tại Việt Nam đạt
7.5 triệu tấn do diện tích canh tác bị sụt giảm mạnh (từ 255 nghìn ha giảm cịn hơn
150 nghìn ha) (). Rỉ đường mía chiếm 3-4% khối lượng mía

[11].
Rỉ đường mía là phần còn lại của dung dịch đường sau khi đã tách phần
đường kính kết tinh. Rỉ đường mía là chất lỏng màu nâu đen, có độ nhớt cao,
chứa đường sacarose, fructose, glucose với hàm lượng carbohydrate 50-60%, có
chứa nhiều chất kích thích sinh trưởng như biotin (120 µg/100 g), vitamin.
Bảng 2. Thành phần chính trong rỉ đường mía [2]
Thành phần

Hàm lượng (%)

Chất khô

75– 85

Đường tổng


45– 65

Đường khử

15– 25

Sacarose

25– 40

Đường không lên men

3– 5

Nito tổng số

0.3– 0.6

Chất keo

2.9– 3.3

Bảng 3. Thành phần các chất tro trong rỉ đường mía (%) [2]
Thành phần

Hàm lượng (% CK)

K 2O

3.5


CaO

1.5
17


Đồ án chuyên ngành

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335
SiO2

0.5

P 2O 5

0.2

MgO

0.1

Al2O3

0.2

Dư lượng SO2

1.6


Cl

-

0.4

Tổng số

8.0

Trong rỉ đường chứa các chất keo như pectin, sáp, chất nhờn, các chất này
có ảnh hưởng rất nhiều đến sự phát triển của vi sinh vật do tạo thành màng bọc
quanh tế bào, ngăn cản quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng và thải sản phẩm trao
đổi chất của tế bào ra ngồi mơi trường. Ngồi ra các chất keo là nguyên nhân
chính tạo ra một lượng bọt lớn trong môi trường cấy vi sinh vật, giảm hiệu suất
sử dụng thiết bị.
Các chất màu có trong rỉ đường bao gồm các chất caramen, melamodin,
2+

melanin và phức chất phenol – Fe . Các chất màu này có thể gây ảnh hưởng đến
sinh trưởng của vi sinh vật, giảm hiệu suất lên men. Ngoài ra, trong rỉ đường còn
chứa các hợp chất bay hơi gây hại cho tế bào như furfurol, ocximetylfurfurol gây
độc cho tế bào. Bên cạnh đó, rỉ đường khoảng 700000 – 1200000 CFU/g, tuỳ
theo loại và thời gian bảo quản rỉ đường.
Rỉ đường trước khi đưa vào lên men cần được xử lý để loại bỏ các tạp
chất, tạp khuẩn, nâng cao độ thuần khiết và tạo độ pH thích hợp.

18



Đồ án chuyên ngành

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

PHẦN 2. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH

Yêu cầu
−

Thiết kế phân xưởng lên men sản xuất lysine từ rỉ đường năng suất
3

40000 m dịch lên men/ năm.
Quy trình sản xuất lysine bằng phương pháp lên men bao gồm các
bước cơ bản:

2.1.

−

Chuẩn bị mơi trường lên men

−

Nhân giống

−

Lên men


−

Tách và hồn thiện sản phẩm.

Đặc tính kỹ thuật của chủng

Hình 5. Sinh tổng hợp lysine nhờ chủng C. glutamicum Lys-12 sử
dụng rỉ đường [9]
−

Sử dụng chủng Corynebacterium glutamicum Lys-12, năng suất 4.0
g/L/h [9].