Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology

Công nghệ lên men<br /> CÔNG NGHỆ LÊN MEN<br /> FERMENTATION TECHNOLOGY<br /> <br /> • Công nghệ lên men, hay công nghệ quá trình sinh học<br /> (bioprocess technology), bắt nguồn từ việc sử dụng vi<br /> sinh vật để sản xuất các thực phẩm như phó mát, sữa<br /> chua, các loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương,<br /> các loại thức uống (bia, rượu vang,..)…<br /> • Các quá trình sinh học từng được tiến hành thủ công,<br /> nhưng ngày nay được tiến hành theo quy trình công<br /> nghệ và được áp dụng kiến thức khoa học hiện đại.<br /> <br /> Tempeh<br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 1<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> Lên men là gì?<br /> <br /> 3<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Quy trình lên men<br /> <br /> • Trong sinh hóa: lên men là quá trình phát sinh năng<br /> lượng trong đó chất hữu cơ vừa là chất cho điện tử vừa<br /> là chất nhật điện tử cuối cùng.<br /> • Trong công nghiệp: lên men mô tả bất cứ quá trình sản<br /> xuất sản phẩm bởi nuôi cấy sinh khối tế bào trong một<br /> thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor)<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 2<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> • Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinh<br /> giống và sản xuất<br /> • Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men và các<br /> thiết bị kèm theo<br /> • Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để<br /> cung cấp chp các bồn len men trong giai đoạn sản<br /> xuất<br /> • Bước 4: Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự phát<br /> triển của giống để giống sản sinh sản phẩm<br /> • Bước 5: Chiết và tinh chế sản phẩm<br /> • Bước 6: Xử lý những chất thải tạo ra trong quy trình<br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 4<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 1<br /> <br /> Quy trình lên men<br /> <br /> Quy trình lên men<br /> • Quá trình lên men công nghiệp gồm 3<br /> công đoạn chính:<br /> <br /> 5 -10 mL<br /> <br /> – Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn<br /> và khử trùng nguyên liệu và thiết bị lên<br /> men<br /> – Lên men trong bioreactor với điều kiện<br /> thích hợp để tạo nhiều sản phẩm mục tiêu<br /> – Sau lên men: thu sản phẩm lên men, tinh<br /> chế, bảo quản sản phẩm.<br /> <br /> 0,2 -1 L<br /> <br /> 10 -100 L<br /> <br /> 100 -100.000<br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 5<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 6<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Phân loại lên men<br /> <br /> Quy trình lên men<br /> <br /> Dựa vào cách cho cơ chất vào môi trường và thu<br /> hoạch sản phẩm mà người ta chia thành các dạng<br /> nuôi cấy:<br /> — lên men theo mẻ<br /> — lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất<br /> — lên men liên tục<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 7<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 8<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 2<br /> <br /> Lên men theo mẻ<br /> <br /> Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất<br /> <br /> Vi sinh vật được cấy vào nồi lên men sau khi môi trường đã được chuẩn bị.<br /> Trong điều kiện nuôi cấy vô trùng và đảm bảo các điều kiện thích hợp, vi sinh<br /> vật sẽ phát triển theo một đồ thị điển hình gồm các giai đoạn:<br /> (1): pha lag trong pha này vi sinh vật chưa phân<br /> chia, tế bào thích nghi dần với điều kiện môi trường<br /> (2): pha tăng tốc tạm thời trong giai đoạn này mật<br /> độ vi sinh vât bắt đầu tăng nhanh<br /> (3): pha tăng trưởng hàm mũ, vi sinh vật tăng<br /> trưởng với tốc độ cực đại<br /> (4): tăng trưởng chậm, tốc độ tăng trưởng giảm so<br /> với giai đoạn tăng trưởng cực đại<br /> (5): pha ổn định, sự phát triển chậm lại hoặc dừng<br /> hẳn<br /> <br /> • Để nâng cao năng suất mẻ lên men người ta<br /> bổ sung cơ chất vào trong quá trình lên men<br /> • 1/ Bổ sung từ từ các chất dinh dưỡng làm<br /> tăng thể tích dịch nuôi cấy, phương pháp này<br /> được sử dụng trong công nghiệp sản xuất<br /> men bánh mì.<br /> • 2/ Bổ sung môi trường mới vào bioreactor<br /> đồng thời rút ra một thể tích dịch nuôi cấy<br /> (không chứa tế bào) tương ứng, phương<br /> pháp này được sử dụng trong nuôi cấy tế bào<br /> động vật<br /> <br /> (6): pha chết, tăng trưởng dừng hẳn, tế bào bị phá<br /> hủy<br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 9<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Môi trường luôn được cho vào đồng thời dịch lên men (môi trường, phụ<br /> phẩm, vi sinh vật) được lấy ra với cùng một tốc độ, nhằm giữ thể tích dịch<br /> lên men luôn ổn định.<br /> Phương pháp này cho phép vi sinh vật phát triển dưới các điều kiện ổn<br /> định, sự tăng trưởng diễn ra với tốc độ ổn định, trong một môi trường ổn<br /> định.<br /> Ứng dụng trong một số trường hợp như sản xuất protein đơn bào, ethanol<br /> và trong một số qui trình xử lý nước thải.<br /> <br /> 11<br /> <br /> 10<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)<br /> <br /> Lên men liên tục<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Một số dạng bioreactor phổ biến<br /> a)Biorector khuấy liên tục<br /> b)Bioreactor dạng tháp<br /> c)Bioreactor tuần hoàn<br /> d)Bioreactor yếm khí<br /> e)Bioreactor chứa bùn hoạt<br /> tính xử lý nước thải<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 12<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 3<br /> <br /> Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)<br /> • Bioreactor là thiết bị quan trọng để thực hiện các<br /> quá trình sản xuất sinh học như lên men bia, acid<br /> hữu cơ, acid amin, kháng sinh, enzyme, vaccine,<br /> xử lý chất thải.<br /> • Trong thiết bị lên men, vi sinh vật được phân tán<br /> trong môi trường, khí O2 và các chất dinh dưỡng<br /> được tế bào hấp thu đồng thời các sản phẩm<br /> phụ như nhiệt độ, CO2 , các chất biến dưỡng<br /> không cần thiết phải được loại ra khỏi tế bào.<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 13<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Cấu tạo cơ bản của nồi lên men<br /> Nồi lên men<br /> Hệ thống thanh trùng<br /> Bộ phận khuấy, cung cấp khí<br /> Hệ thống giám sát – điều<br /> chỉnh nhiệt độ<br /> Hệ thống giám sát – điều<br /> chỉnh pH<br /> Hệ thống nạp mẫu<br /> Hệ thống giám sát – phá bọt<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> Bioreactor<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Bioreactor<br /> <br /> Hình dạng của các<br /> bioreactor thay đổi<br /> nhanh chóng trong vài<br /> thập niên gần đây. Để<br /> nâng cao khả năng<br /> thông khí và khuấy<br /> trộn người ta sử dụng<br /> hai hệ thống cải tiến<br /> sau:<br /> <br /> Hệ thống đầu tiên sử dụng các thiết bị<br /> thông khí và khuấy trộn cơ học điển hình<br /> là bồn lên men với hệ thống khuấy trộn ở<br /> trung tâm (centrally stirred tank reactor<br /> CSTR). Các thiết bị này có chứa một<br /> hoặc nhiều cánh khuấy.<br /> Cánh khuấy giúp tăng O2 hòa tan, giúp<br /> các thành phần trong bồn lên men được<br /> phối trộn đều với nhau, tạo điều kiện cho<br /> chất dinh dưỡng và khí O2 thấm vào<br /> trong tế bào, cho phép trao đổi nhiệt tốt<br /> hơn.<br /> <br /> —Hệ thống sử dụng<br /> các thiết bị thông khí<br /> và khuấy trộn cơ học<br /> —Hệ thống sử dụng hệ<br /> thống bơm cơ học<br /> hoặc bơm khí động<br /> học<br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 14<br /> <br /> 15<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 16<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 4<br /> <br /> Bioreactor<br /> <br /> Đối với tất cả các quá trình lên men, yêu cầu quan trọng nhất là<br /> phải đảm bảo sao cho mọi thành phần tham gia phải được đặt<br /> trong điều kiện giống nhau. Các thông số lý hóa trong quá trình lên<br /> men phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo cho mỗi tế bào đều<br /> được đặt trong điều kiện như nhau.<br /> <br /> Hệ thống thứ hai sử dụng<br /> hệ thống bơm cơ học hoặc<br /> bơm khí động học làm thiết<br /> bị phân phối khí trong<br /> bioreactor. Dung dịch trong<br /> thiết bị này di chuyển theo<br /> dòng tuần hoàn.<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> Để kiểm soát tốt quá trình lên men cần phải hiểu được trạng thái<br /> của quá trình và khả năng đáp ứng của vi sinh vật đối với các điều<br /> kiện khác nhau của môi trường. Các thông số trong quá trình lên<br /> men có thể được kiểm soát một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.<br /> Quá trình kiểm soát trực tiếp được thực hiện thông qua các sensor đặt<br /> trong bồn lên men. Phương pháp này thường được áp dụng với các<br /> thông số như nhiệt độ, pH, hàm lượng O2, CO2 hòa tan.<br /> <br /> 17<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Hiệu quả lên men<br /> — Để đạt hiệu quả lên men cao thì cần đáp ứng những<br /> yêu cầu sau<br /> — 1. Thiết bị lên men phải được thiết kế sao cho hạn<br /> chế đến mức thấp nhất khả năng tạp nhiễm.<br /> — 2. Thể tích dịch nuôi cấy trong thiết bị phản ứng phải<br /> được duy trì ổn định tránh thất thoát hoặc bay hơi.<br /> — 3. Mức độ O2 hòa tan phải được điều chỉnh phù hợp<br /> — 4. Các thông số như nhiệt độ, pH cần được kiểm<br /> soát chặt chẽ, các thành phần phản ứng phải được<br /> phối trộn tốt<br /> <br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 19<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Kiểm soát gián tiếp được thực hiện bằng cách lấy mẫu trong quá trình<br /> lên men và đem phân tích. Phương pháp này dùng để đo hàm lượng<br /> DNA, RNA, enzyme và sinh khối<br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 18<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> Sản xuất trên quy mô lớn (scale up)<br /> Trước hết các quá trình lên men<br /> công nghiệp được thực hiện ở quy<br /> mô phòng thí nghiệm, sau đó nâng<br /> lên mức sản suất thử (pilot) và cuối<br /> cùng là mở rộng sản xuất trên quy<br /> mô công nghiệp.<br /> Các số liệu thu được từ quy mô<br /> phòng thí nhiệm được dùng làm cơ<br /> sở để thiết lập hệ thống pilot và hệ<br /> thống sản xuất công nghiệp.<br /> Khi mở rộng qui mô sản xuất cần<br /> phải chú ý đến chế độ khuấy trộn,<br /> thông khí, kiểm soát các thông số<br /> sản xuất, đảm bảo điều kiện vô trùng<br /> Bioreactor ở quy mô công nghiệp<br /> trong quá trình sản xuất.<br /> 19/09/2011 10:58 SA<br /> <br /> 20<br /> <br /> Nguyễn Hữu Trí<br /> <br /> 5<br /> <br />