Sản xuất các sản phẩm trao đổi chất bậc một dùng trong Y học
2. Sản xuất acid glutamic
2.1. Đại cương
Acid glutamic được sản xuất với số lượng lớn nhất trong tất cả các acid amin vì acid nμy được dùng một phần trong sản xuất dược phẩm, còn số lượng lớn được dùng trong thực phẩm lμm chất điều vị được sản xuất dưới dạng mononatri glutamat. Acid glutamic có thể sản xuất bằng phương pháp thuỷ phân protein của bột lúa mì (gluten). Hiện nay các nhμ máy sản xuất acid glutamic trên thế giới đều tiến hμnh bằng phương pháp lên men vi sinh vật vì vừa có năng suất cao giá thμnh lại thấp hơn nhiều so với phương pháp sản xuất bằng hoá học.
Hình 6.1. Quá trình chuyển hóa thành acid glutamic bằng enzym hoặc hoá học Oxaloacetat
Sản xuất acid glutamic bằng phương pháp lên men vi sinh vật cũng có hai cách. Lên men trực tiếp một vi sinh vật có khả năng siêu tổng hợp acid glutamic sau đó chiết xuất vμ tinh chế thu lấy sản phẩm. Một số vi sinh vật khác lại có khả năng sinh tổng hợp với một số lượng lớn acid α-cetoglutarat. Vì vậy có thể nuôi cấy các vi sinh vật nμy để chúng tạo ra acid α-cetoglutarat.
Sau đó biến đổi bằng enzym hoặc hoá học acid nμy thμnh acid glutamic theo hình 6.1.
2.2. Lên men sinh tổng hợp acid glutamic
2.2.1. Chủng giống
Có nhiều chủng vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp acid glutamic. Tuy nhiên những chủng sau đây được nhiều nhμ máy sử dụng để sản xuất vì cho hiệu suất cao (80-120 g/lít): Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, B. divaricatum. Đây lμ những vi khuẩn Gram (+) hiếu khí. Nhiệt độ nuôi cấy thích hợp 34-37OC vμ thời gian lên men lμ 40 - 48 giờ.
2.2.2. Nhu cầu dinh dưỡng
Môi trường dinh dưỡng dùng để lên men sinh tổng hợp acid glutamic rất đơn giản. Tuỳ theo đặc điểm chủng sản xuất yêu cầu cần nghiên cứu để có môi trường tối ưu cho năng suất sinh tổng hợp cao nhất. Nguồn carbon thường lμ glucose, sacharose. Thực tế sản xuất thường sử dụng glucose từ dịch thuỷ phân tinh bột kết hợp với sacharose trong rỉ đường (mía hoặc củ cải đường).
Đây lμ những nguyên liệu rẻ tiền. Nguồn nitơ thường dùng lμ urê với tỉ lệ 1,5 - 2,0%, cũng có thể dùng (NH4)2SO4, NH4Cl với nồng độ 0,5%. Quá trình lên men tạo ra acid glutamic lμm cho pH môi trường giảm xuống. Vì vậy thường bổ sung urê để giữ cho pH môi trường đạt trung tính, đảm bảo không ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn lμm giảm hiệu suất sinh tổng hợp, đồng thời urê lại có tác dụng bổ sung thêm nguồn nitơ lμm chất dinh dưỡng cho vi khuẩn.
Yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất sinh tổng hợp acid glutamic lμ nồng độ biotin. Nồng độ biotin thích hợp từ 2,0 - 5,0 mcg/lít môi trường. Nếu quá nồng độ nμy vi khuẩn sinh tổng hợp acid glutamic sẽ tạo ra alanin, acid lactic, acid aspartic, sinh khối tăng mạnh còn acid glutamic hình thμnh rất ít. Trong rỉ đường thường chứa hμm lượng biotin khá cao, vì vậy cần phải khống chế nồng độ cho thích hợp. Một yếu tố khác cũng ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất sinh tổng hợp acid glutamic lμ các chất kháng sinh thêm vμo môi trường lên men. Khi thêm các chất kháng sinh có tác dụng lên thμnh tế bμo vi khuẩn như penicillin G, polymyxin người ta nhận thấy hiệu suất sinh tổng hợp acid glutamic tăng lên. Nồng độ vμ thời điểm cho kháng sinh vμo môi trường thích hợp có thể lμm tăng hiệu suất sinh tổng hợp acid glutamic lên từ 15 - 45%.
2.2.3. Quy trình lên men vμ chiết xuất
Sản xuất acid glutamic thường áp dụng phương pháp lên men chu kì (theo mẻ) trên các thiết bị lên men có dung tích từ 100.000 - 300.000 lít trong điều kiện hiếu khí vμ vô trùng tuyệt đối.
Để chiết xuất vμ tinh chế acid glutamic có nhiều phương pháp. Tuy nhiên chỉ có hai phương pháp được áp dụng trong công nghiệp.
• Phương pháp điểm đẳng điện
Sau khi kết thúc quá trình lên men, dịch lên men được cô chân không ở nhiệt độ 50-60OC đến nồng độ nhất định. Sau đó tẩy mμu bằng than hoạt, lọc loại than, điều chỉnh pH bằng acid clohydric đến điểm đẳng điện lμ 3,2. Acid glutamic kết tinh. Lọc hay ly tâm lấy tinh thể. Phương pháp thu hồi sản phẩm nμy khá đơn giản, tuy nhiên hiệu suất thu hồi thấp thường chỉ đạt 50 - 60%.
• Phương pháp trao đổi ion
Trong công nghiệp hiện nay để chiết xuất acid glutamic thường áp dụng phương pháp chiết bằng trao đổi ion theo hình 6.2.
Hình 6.2. Sơ đồ các công đoạn chiết xuất acid glutamic
2.3. Sản xuất mì chính
Trong thực tế, acid glutamic được dùng chủ yếu để chế tạo mì chính dùng trong thực phẩm lμm chất điều vị. Để sản xuất mì chính chỉ cần hoμ tan acid glutamic đến nồng độ nhất định, sau đó tạo muối mononatri glutamat bằng Na2CO3 hoặc NaOH ở pH 6,8-7,0, khử sắt, tẩy mμu. Dung dịch glutamat Natri đem cô dưới áp suất giảm đến nồng độ khoảng 30 - 30,5 độ Bé. Thêm vμi tinh thể mì chính lμm mầm kết tinh. Tiếp tục cô đến đậm độ 31 - 31,8 Bé, các tinh thể mì chính kết tinh dạng hình trụ đều đặn. Điều kiện để kết tinh mì chính cần tuân thủ lμ: áp suất chân không: 600 mmHg; nồng độ glutamat: 31,5 - 31,8 Bé. Nhiệt độ cô đặc: 60 - 65OC.
Sản phẩm có hμm lượng mononatri glutamat đạt 98 - 98,5%. Hiệu suất chuyển đổi thμnh glutamat đạt 85 - 90%. Ly tâm lấy tinh thể. Nước ót không kết tinh được bổ sung thêm natri clorid để tạo ra dạng bột ngọt có chứa 20 - 25% mononatri glutamat dùng lμm bột gia vị.