Bài giảng Công nghệ lên men 1

 Lĩnh vực công nghệ vi sinh vật VSV: là quá trình chuyển hóa cơ chất của các tế bào VSV kèm theo sự phát triển sinh khối và tổng hợp các sản phẩm trao đổi chất lên men hiếu khí/kỵ khí

Trang 1

CÔNG NGHỆ LÊN MEN I Quá trình và thiết bị lên men công nghiệp

-TS NGUYỄN ĐỨC KHUYẾN

2

-CÔNG NGHỆ LÊN MEN I - Quá trình và

thiết bị lên men công nghiệp

Cung cấp kiến thức cơ bản về một số mặt chủ yếu của kỹ thuật lên men ở quy mô công nghiệp:

Sự vận hành của các quá trình lên men

Sự hoạt động của các thiết bị dùng trong các quá trình lên men

Nguyên lý của các quá trình và thiết bị dùng trong các quá trình lên men

Chương 6: Đo lường & Điều khiển

NỘI DUNG MÔN HỌC

4

- Bài giảng Quá trình và thiết bị lên men công nghiệp

 Hall, Stephen J Stanbury, Peter F Whitaker, Allan Principles

of Fermentation Technology-Butterworth Heinemann, 2017

 Pauline M Doran, Bioprocess Engineering Principles, Second

Edition-Academic Press (2012)

 Hoàng Văn Quốc Chương, Kỹ Thuật Lên Men Công Nghiệp,

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh.

 http://www.hoctp.com/qt-tb-len-men

 Celeste M Todaro, Henry C Vogel, Fermentation and Biochemical Engineering Handbook, Third Edition-William Andrew (2014)

TÀI LIỆU HỌC TẬP

Trang 2

Facebook: Khuyen ND Page thông tin: https://www.facebook.com/NgDKhuyen/

Công nghệ sinh học là sự ứng dụng phối hợp của khoa học và công

nghệ trong việc sử dụng các tác nhân sinh học để xử lý nguyên liệu nhằm tạo ra các sản phẩm và dịch vụ

 Cơ sở khoa học của công nghệ sinh học là nhiều ngành khoa học khác nhau, nổi trội nhất là sinh học và hóa sinh.

 Xem trọng "công nghệ": xem xét về năng suất, chi phí; đo lường, điều khiển đóng vai trò quan trọng.

 Tác nhân sinh học được sử dụng: vi sinh vật, tế bào, enzym, gen,

 Nguyên liệu: chất hữu cơ, vô cơ, có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo.

 Sản phẩm: thực phẩm, dược phẩm, nhiên liệu để sản xuất năng lượng, thức ăn cho gia súc,

 Do có yêu cầu khắt khe, nên thường được áp dụng cho quy mô

Fermentation technology is the use of organisms, grown on a large scale, toproduce valuable commercial products or to carry out important chemicaltransformations (food, pharmaceuticals and alcoholic beverages)

Trang 3

9

-What is fermentation?

Thuật ngữ "lên men" trong tiếng Anh hay Pháp (hoặc một số ngôn

ngữ khác) là fermentation có nguồn gốc từ tiếng La tinh "fervere" có nghĩa là sôi hay "ferveo" có nghĩa là sủi bọt Lý do là thuật ngữ này ra

đời khi người ta quan sát quá trình lên men rượu thấy dịch nho bị sủi bọt do khí CO2thoát khỏi dịch nho giống như khi nước sôi

10

-Khái niệm lên men (fermentation) có thể được hiểu theo các

nghĩa khác nhau:

- Lĩnh vực vi sinh vật học:

 Là quá trình sinh tổng hợp năng lượng (ATP) ở tế bào sinh vật

từ các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy;

 Là quá trình sinh tổng hợp năng lượng ở tế bào không có sư tham gia của chuỗi hô hấp Trên cơ sở đó, một vài quá trình sinh tổng hợp ATP diễn ra trong điều kiện kỵ khí vì có sự tham gia của chuỗi hô hấp như chuỗi hô hấp nitrate, hô hấp sulfate ở

vi khuẩn Pseudomonas, Desulfovibrio…

What is fermentation?

 Lĩnh vực công nghệ vi sinh vật (VSV): là quá trình

chuyển hóa cơ chất của các tế bào VSV kèm theo sự phát triển sinh khối và tổng hợp các sản phẩm trao đổi chất (lên men hiếu khí/kỵ khí  quá trình nuôi cấy VSV diễn ra trong điều kiện có/không có oxy)

 Lên men cũng được hiểu là sự chuyển hóa

carbohydrate và một vài hợp chất hữu cơ khác thành những hợp chất mới dưới tác dụng của enzyme do vi sinh vật tạo ra Như vậy, tác nhân chính của quá trình lên men là các tế bào vi sinh vật, hoặc có thể là enzyme của chúng đã được chế tạo thành các dạng chế phẩm.

“fermentation” means an energy-generation process

by the catabolism of organic compounds

Industrial microbiology: the term “fermentation” describes any process for the

production of product by the mass culture of a microorganism

Glycosis, phosphate or Entner

pentose Doudoroff

Trang 4

Aerobic Cellular Respiration



Krebs cycle (aerobic)Electron transport chain (aerobic)

Consume 2 ATPs Produce 4 ATPs

1.Đường phân tiến hành trong

tế bào chất

Hô hấp hiếu khí theo con đường đường phân – chu trình Crebs là con đường chính của hô hấp tế bào

2 Chu trình Crebs tiến hành trong

cơ chất ty thể

3 Chuỗi

hô hấp tiến hành trên màng trong ty thể

Anaerobic Cellular Respiration

In anaerobic cellular respiration, the only step of this process that occurs is glycolysis

15

-Glycolysis: One glucose molecule breaks down into two pyruvate molecules.

Lactic acid fermentation: the pyruvic acid from glycolysis is used to oxidize the

NADH to produce lactic acid and NAD+, allowing glycolysis to continue to make ATP

in low-oxygen conditions

Ethanol fermentation: The two pyruvates are broken down into two

acetaldehyde molecules and give off two CO2 molecules as a waste product Theacetaldehyde is then reduced into ethanol using the energy and hydrogen fromNADH; in this process the NADH is oxidized into NAD+ so that the cycle may repeat

sugar molecules without requiring oxygen

Fermentation results in the production of energy in the form of two ATP molecules, and produces less energy than aerobic process of cellular respiration

 Fermentation is also used more broadly to refer to the bulk growth of microorganisms on a growth medium often with the goal of producing a specific chemical product

Trang 5

I, Propionic acid bacteria.

Pyruvate formed by the catabolism of glucose is further metabolized (chuyển hóa- trao đổi chất) by pathways which are characteristic of particular organisms and which serve as a biochemical aid to identification

Bacterial Fermentation Products of Pyruvate

The end products of fermentation differ depending on the organism

Products of Fermentation

Fermentation products include:

Food products : Milk - yogurt, kefir, fresh and ripened cheeses

Fruits - wine, vinegarVegetable – pickles, soy sauce

Meat – fermented sausage, salamiIndustrial chemical:

Solvent – acetone, butanol, ethanol, enzymes, amino acidsSpecialty chemicals –

vitamins, pharmaceuticals kefir

salami

nấm sữa, men sữa, sữa chua kefir

 10,000-5,000 BC : Using fermentation to make bread and to produce

alcoholic beverages

 5.000 – 200 BC: Fermented milk, Cheese making; Vinegar was

referenced in old testament; the Chinese used fermented soybean curd, fermented tea to treat a variety of illnesses

 500 AD: Yogurt, sauces and fermented meats were developed,

Vegetable preservation by fermentation is used in China

Fermentation - History

 1680 AD: Van Leeuwenhoek observed yeast cells in alcohol fermentation.

 1837 AD: Cagniard-Latour, Schwann and Kutzing independently

hypothesized that yeast is a living thing

 1847 AD: Blondeau hypothesized that different fermentations carried out

by different organisms (fungi?)

Trang 6

 1857 AD: Pasteur demonstrated that living yeast cells ferment sugar

into ethanol and carbon dioxide; Pasteur noted cylindrical organisms

produce butyric acid only in absence of oxygen His heat-related

experiments would later be utilized in the development of pasteurization.

 1877 AD: Pasteur noted relationship between microbes (vi khuẩn) and

infectious disease- bệnh truyền nhiễm

 1929 AD: Fleming demonstrated that mold contaminant in a petri-dish

causes bacterial death

 1940 AD: Florey and Chain isolated penicillin, elucidated

(làm rõ) its structure and demonstrated its bacterial properties on G(+) bacteria.

fermentation to produce antibiotics – kháng sinh.

 1970- present: Probiotic cultures & bacteria used in mainstream foods

Trang 7

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ LÊN MEN CÔNG NGHIỆP

Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinh giống và sản xuấtBước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men và các thiết bị kèm theoBước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để cung cấp cho các bồn lên men trong giai đoạn sản xuất (Nhân giống)

QUY TRÌNH LÊN MEN TỔNG QUÁT

Bước 4: Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự phát triển của giống đểgiống sản sinh sản phẩm (lên men sản xuất)

Bước 5: Chiết và tinh chế sản phẩmBước 6: Xử lý những chất thải tạo ra trong quy trình

QUY TRÌNH LÊN MEN TỔNG QUÁT

Lên men trong bioreator: Tăng sinh khối tế bào

Trước lên men: Xử lý, chế biến, phối trộn và khử trùng nguyên liệu ban đầu

Sau lên men: Tách tế bào, tinh chế, bảo quản, tận dụng phụ phế phẩm

28

-QUY TRÌNH LÊN MEN TỔNG QUÁT

Chuẩn bị trước lên men (Upstream) : chuẩn bị

nguyên liệu và chuẩn bị vi sinh vật

Nguyên liệu thô: làm sạch, nghiền nhỏ, chuyển thành dạng dung dịch.

Nguyên liệu tinh: chuyển sang dạng dung dịch, tiệt trùng.

Vi sinh vật: chuẩn bị một lượng phù hợp với thể tích làm việc của thiết bị lên men bằng cách nhân giống trong phòng thí nghiệm  nhân giống trong thiết bị lên men cỡ nhỏ (pilot).

Trang 8

29

-QUY TRÌNH LÊN MEN TỔNG QUÁT Lên men thực hiện trên một thiết bị lên men chuyên dụng

(Bioreactor).

Xử lý sau lên men (Downstream) xử lý dịch lên men qua

một số công đoạn như :

Lọc: để loại các tạp chất không tan, chuyển về dạng phù hợp (thí dụ chuyển từ dạng axit sang dạng muối)

Tinh chế : loại các tạp chất tan trong dịch lên men

Kết tinh : chuyển sản phẩm từ dạng tan sang dạng không tan

Ly tâm : tách riêng sản phẩm (ở dạng rắn) khỏi dịch lên men

Sấy : tách bớt nước có trong sản phẩm

Trích ly, chưng cất,

What is penicillin?

 Group of antibiotics produced by the Penicillium fungi

 Effective against actively growing Gram positive bacteria - vi khuẩn gram dương

 Some penicillin like amoxicillin are also effective against Gram negative bacteria, except Pseudomonas aeruginosa

 It is a group of closely related compounds, not a single compound

 Examples: Amoxicillin, ampicillin, phenoxymethylpenicillin

 approximately 100 penicillins synthesized so far

Case Study: Industrial penicillin manufacturing

Discovery and Production of Penicillin

Trang 9

How to produce penicillin

 Fermenters

 Purpose of fermenter – provide contained, controlled

fermentation can proceed in a manner that is both safe and practical and which optimizes the particular objective of the fermentation.

 Other primary factors include cost, reliability and safety

 For reactor being designed for specific purpose, there are a number of important parameters that will greatly affect performance.

Fermenter consideration

 Reactor size: optimum rates of production

 Reactor configuration: mechanical agitation orwill a bubble column

 Mode of operation: will it be fed or continuouslyfed?

 Conditions inside the reactor: how willconditions (pH, temperature, …) be controlled?

 Economic requirements:

 Easy to operate aseptically

 Reasonably flexible regarding processrequirements

 Low power consumption

 Stable under fluctuating conditions

 Cheap, robust, simple and well understoodfor scale-up

Specific conditions for penicillin production

 Most penicillin form filamentous sợi nhỏ broths This means they can be difficult to mix due to their high viscosity Also increasing viscosity of the broth can hinder oxygen transfer

 Solution: bubble column (air lift reactors) – would distribute the oxygen equally and also to agitate the medium

 Penicillin is an aerobic organism; oxygen supply is critical

 Optimum pH for penicillin growth is 6.5: maintain pH efficiently

 Strain stability problems (mutations Đột biến): careful strain maintenance is required

 Biomass doubling is about 6h: provisions must be made

Trang 10

Medium sterilizationHeat Fermentation Biomass removal

Centrifugation extraction Extraction

Fluid bed drying

Final product (Penicillin G)

Seed culture

Addition of solvent

Overall process

Trang 11

bào tử

tiền chất

Tiết ra, sản ra

Trang 12

dịch nổi lên trên

Trang 13

Homework 1

a Identify at least 10 types of food,

produced (at any level) with the aid of microorganisms.

b Provide an overview of the production of one of the product you answered in question a.

51

-52

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ

TRÌNH LÊN MEN

 Chất lượng của nấm men sản xuất

 Lượng nấm men gieo cấy ban đầu

 Nồng độ chất hòa tan

 Nhiệt độ của dịch lên men

 Áp suất bề mặt

 Hàm lượng oxi và thế oxi hóa - khử

 Cường độ khuấy đảo dịch lên men

 Nồng độ của sản phẩm lên men

Làm thế nào để

đo lường, Kiểm tra, điều khiển và kiểm soát?

Trang 14

THIẾT BỊ TRONG QUY TRÌNH LÊN MEN

1 Nhóm các trang thiết bị chuẩn bị:

 Các trang thiết bị chuẩn bị nguyên liệu: dùng để chuyển đổi các

nguyên liệu thô thành cơ chất và dưỡng chất, có các tính chất thích hợp cho quá trình lên men như kích thước, độ tinh khiết, độ nhớt, nồng độ

Nhóm này gồm các trang thiết bị dùng để làm sạch (loại tạp chất, rửa), làm nhỏ (cắt, nghiền), phân loại (sàng), khuấy trộn, xử lý nhiệt (thanh trùng, tiệt trùng)

 Các trang thiết bị chuẩn bị vi sinh vật: dùng để nuôi cấy, nhân giống

vi sinh vật cho đến khi đạt số lượng cần thiết cho quá trình lên men

Việc nhân giống thường gồm một số bước, các bước đầu thường dùng các trang thiết bị phòng thí nghiệm như các dụng cụ thủy tinh cỡ nhỏ hay cỡ vừa, máy khuấy từ, máy lắc Các bước sau có thể phải thực hiện

ở các thiết bị lên men cỡ nhỏ hay cỡ pilot

 Các trang thiết bị chuẩn bị cho thiết bị lên men như làm sạch, tiệt

trùng Hiện nay, người ta có xu hường tích hợp các trang thiết bị này thành các bộ phận của thiết bị lên men, thí dụ CIP (Clean In Place) hay SIP (Sterilization In Place)

2 Hệ thống lên men- Bioreactor

Dùng để chuyển cơ chất & dưỡng chất thành thành phẩm hay bán thành phẩm: Bioreactor có khuấy đảo; Bioreactor có sục khí; Hệ thống lên men với giá thể rắn

3 Các thiết bị sau lên men

Các trang thiết bị dùng để loại bỏ các tạp chất dạng thô như lắng, lọc, ly tâm.

Các trang thiết bị dùng để tính luyện sản phẩm như cô đặc, kết tinh, sấy, chưng cất.

PHÂN LOẠI QUÁ TRÌNH LÊN MEN

1 Theo kỹ thuật nuôi cấy:

 Theo phương pháp nạp liệu & thu sản phẩm: lên men gián đoạn, lên men liên tục, lên men bán liên tục

 Theo thành phần đồng nhất của môi trường: lên men bề mặt (nổi), lên men bề sâu (chìm), lên men bán rắn

 Theo vai trò của oxy khi lên men: lên men hiếu khí và lên men kỵ khí.

2 Theo sản phẩm chính:

 Lên men etilic, lên men lactic, lên men propionic, lên men formic, lên men butiric và lên men axeton-butanol, lên men metan, lên men axetat, lên men xenlulozo

Trang 15

Lên men gián đoạn: Vi sinh vật được nuôi cố định trong

bình lên men với một thể tích môi trường xác định Ứng dụng để sản xuất nhiều hoạt chất quan trọng như amino acid, các chất kháng sinh Năng suất thấp và chu kỳ sản xuất

bị kéo dài

Lên men liên tục: nguyên liệu liên tục vào và sản phẩm lên

men liên tục đi ra Ứng dụng để sản xuất protein đơn bào (nấm men) sản xuất acid acetic, ethanol và xử lý nước thải của một số nhà máy Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân nên phương pháp lên men chu kỳ vẫn hay được ứng dụng hơn.

Lên men bán liên tục: là quá trình lên men vi sinh vật

trong điều kiện xác định Khi vi sinh vật phát triển trong một thời gian đủ để tạo ra nồng độ sinh khối cần thiết người ta lấy bớt đi một thể tích môi trường bao gồm cả sinh khối, đồng thời bổ sung thêm một thể tích môi trường đã lấy đi

Lên men chìm:

Chủng vi sinh vật cấy vào môi trường được phân tán khắp mọi điểm.

Ưu điểm: Tốn ít mặt bằng; sản lượng lớn; dễ cơ khí hoá, tự động hoá;

Sử dụng hợp lý các chất dinh dưỡng của môi trường, tránh sự lãng phí chất dinh dưỡng nằm lại trong khối môi trường chất rắn mà vi sinh vật không sử dụng được

Nhược điểm: Đòi hỏi trang bị kĩ thuật cao, dễ bị nhiễm trùng toàn bộ;

cần phải khuấy và sục khí liên tục; phải tiệt trùng hệ thống

Lên men bán rắn:

Là phương pháp trung gian giữa lên men bề mặt và bề sâu Hàm lượng nước trong môi trường chiếm khoảng 70% chất khô Một số enzym hiện nay được sản xuất theo phương pháp này Người ta cải tiến phương pháp này bằng thiết bị thùng quay nhằm cung cấp đủ oxy cho quá trình lên men và thực hiện luôn khâu sấy khô sau lên men Điều khó khăn là do sự truyền nhiệt kém của các chất độn nên khó thực hiện tốt khâu thanh trùng

Trang 16

 Biến đổi của cơ chất do tác động của các enzym do vi sinh vật tạo ra VSV thường tạo ra nhiều enzym khác nhau Do đó sản phẩm của quá trình lên men gồm nhiều thành phần: chính-một

số thành phần phụ sản phẩm lên men sẽ có những nét đặc

trưng khác nhau, thí dụ hương vị đặc trưng của từng loại bia.

 Nếu trong dịch lên men có tồn tại nhiều pha, VSV thường hoạt động ở bề mặt giao tiếp giữa các pha gia tăng diện tích tiếp

ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN

 VSV có thể điều chỉnh (trong một phạm vi nhất định) các tiến trình bên trong cơ thể mình để đáp ứng với môi trường bên

ngoài  quá trình lên men có tính khá linh hoạt & môi trường lên men có những tác động đáng kể đến sản phẩm thu được.

 Các chủng vi sinh vật dùng trong công nghiệp lên men thường khá nhạy cảm với môi trường (pH, nhiệt độ, lượng oxy, ) Do

đó, việc duy trì môi trường và điều kiện lên men tối ưu là công việc rất quan trọng

 Sự thoái hóa của chủng vi sinh vật: sau khi hoạt động một thời

gian, tính chất của vi sinh vật bị thay đổi theo chiều hướng xấu

đi, năng suất và chất lượng của sản phẩm bị giảm đi Nếu sử dụng các phương pháp lên men liên tục thì thời gian hoạt động liên tục cũng bị hạn chế, không thể dài như nhiều ngành công nghiệp khác.

 Điều kiện phản ứng ôn hòa hơn: nhiệt độ, áp suất và pH của

môi trường lên men thường trong khoảng giá trị của môi trường

tự nhiênchi phí năng lượng để sản xuất chỉ ở mức thấp.

 Số giai đoạn để chuyển hóa nguyên liệu thành sản phẩm trong lên men thường ít hơn so với sản xuất hóa học.

 Nguyên liệu trong lên men thường có nguồn gốc tự nhiên Do

đó thường có sẵn và có khả năng tái tạo được.

 Chât thải của lên men ít độc hại hơn, kỹ thuật xử lý các chất

thải này cũng dễ dàng hơn.

 Đổi với thực phẩm, các sản phẩm lên men thường có giá trị dinh dưỡng cao hơn so với nguyên liệu ban đầu: nhiều chất bổ

dưỡng hơn, nhiều vitamin hơn, dễ tiêu hóa hơn, ít độc tố và chất kháng dinh dưỡng hơn.

Ưu điểm của lên men (so với PU hóa học)

 Do các tiến trình trong vi sinh vật khá nhạy cảm với điều kiện môi trường nên để sản xuất một sản phẩm có các tính chất ổn định, ta cần khống chế điều kiện và môi trường lên men một cách rất chặt chẽ Đây là một điều khó khăn do phải theo dõi và điều khiển khá nhiều thông số cùng một lúc.

 Việc giữ cho môi trường lên men không bị tạp nhiễm là việc tương đối khó khăn vì vi sinh vật tồn tại ở mọi nơi.

 Trong lên men ở quy mô lớn, việc duy trì sự đồng nhất trong toàn bộ thùng lên men là một việc phức tạp, khó thực hiện.

Hạn chế của lên men

Trang 17

 Chủng VSV dùng trong lên men phải có hoạt tính mạnh, ổn định: VSV đã được tuyển chọn, thuần hóa, và cải biến để phù

hợp với điều kiện sản xuất.

 VSV cần được cung cấp đầy đủ các dưỡng chất cho sự sinh sản,

phát triển và hoạt động

 Môi trường lên men cần được duy trì ở điều kiện tối ưu: nhiệt

độ, áp suất, pH, lượng oxy

 Cần có sự đồng nhất trong toàn bộ môi trường lên men đặc biệt

khi thùng lên men có kích thước lớn,

 Cần hạn chế sự nhiễm tạp đến mức thấp nhất: Môi trường lên

men, thùng lên men, các thiết bị phụ trợ, không khí,…

YÊU CẦU CHO QUÁ TRÌNH LÊN MEN

Để quá trình lên men vận hành ổn định, đạt hiệu quả, năng suất cao, chất lượng tốt, chi phí thấp, ta cần đáp ứng các yêu cầu sau:

 Thực phẩm: có khoảng 3500 loại thực phẩm được sản xuất bằng

các phương pháp lên men truyền thống

 Dược phẩm: kháng sinh, vitamin, vắc xin, steroit

 Hóa chất: etanol, butanol, aceton, một số axit hữu cơ : axit citric,

axit lactic, axit fumaric, , enzyme, polymer,

 Nông nghiệp: sản xuất thức ăn gia súc, phân vi sinh, thuốc trừ sâu

vi sinh.

 Năng lượng: sản xuất etanol (xăng sinh học) và mê tan (biogas) ở

quy mô lớn.

 Môi trường: xử lý nước thải và rác thải.

ỨNG DỤNG CỦA LÊN MEN

 Hàm lượng sinh khối khô X: khối lượng sinh khối khô của một

đơn vị thể tích dịch lên men (g/L hay kg/L)

 Vận tốc tăng trưởng: cho ta biết tốc độ tăng trưởng của vi sinh

vật trong khi lên men là nhiều hay ít.

1 Sự tăng trưởng của vi sinh vật

1.1 Các thông số khảo sát:

• Vận tốc tăng trưởng riêng μ: (tốc độ tăng trưởng đặc trưng – 1/h): là vận tốc tăng trưởng tương ứng với một đơn vị sinh khối

khô.

ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LÊN MEN

1.2 Sự tăng trưởng khi nuôi cấy tĩnh

(a) lag- phase, (b) log- phase, (c) phase ổn định, (d) phase suy vong

Xét quá trình tăng trưởng của hàm lượng sinh khối khô trong điều kiện lên men từng mẻ thông thường, trong đó sau khi hòa trộn canh trường (đã chứa đủ lượng vi sinh vật cần thiết) với cơ chất và dưỡng chất,

ta để cho quá trình lên men xảy ra mà không thêm bớt

gì vào dịch lên men.

Trang 18

Giai đoạn tiềm phát a (hay pha lag): vi sinh vật tìm cách tự

điều chỉnh để thích ứng với điềukiện lên men, với môi trường

không có sự thay đổi của X

Cần phải rút ngắn thời giancủa phase này để đưa hệ thốnglên men nhanh chóng bước vàogiai đoạn tăng trưởng và sinhtổng hợp sản phẩm quan tâm

Giai đoạn tăng trưởng logarit b: hàm lượng sinh khối khô X tăng rất nhanh

theo quy luật hàm số mũ, đây chính là giai đoạn tạo ra sản phẩm

Trong log-phase, giàu dinh dưỡng, μ sẽ đạt μmax Mỗi chủng vi sinh vật trongnhững điều kiện tối thích nhất định sẽ có μmaxkhác nhau

Tốc độ tăng trưởng phụ thuộc rất lớn vào nguồn dinh dưỡng của môi trườngnuôi cấy và thành phần các sản phẩm do chính hoạt động của vi sinh vật tạo ratrong môi trường

70

-Bảng 1 Một số giá trị μmaxcủa một số chủng vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy đặc trưng.

Giai đoạn cân bằng C (pha ổn định): hàm lượng

sinh khối khô X không thay đổi do thiếu hụt dưỡng chất làm vi sinh vật không còn khả năng tăng trưởng tiếp tục, hoặc lượng sinh khối được tạo ra chỉ vừa đủ bù đắp cho lượng sinh khối bị tiêu hủy.

Giai đoạn tiêu vong D: vi sinh vật bị tiêu hủy do dưỡng chất bị

cạn kiệt và/hay các chất độc hại trong môi trường tăng lên Sự suy giảm của X cũng rất nhanh theo quy luật hàm số mũ.

1.3 Động học giai đoạn tăng trưởng logarit

Trong pha log, thời gian để X tăng gấp đôi gần như không thay đổi.

Nếu gọi tdlà thời gian tăng đôi này thì sau một thời gian t, số lần tăng đôi n (còn được gọi là số thế hệ) là:

Nếu chọn gốc thời gian là thời điểm bắt đầu giai đoạn này, X0và X là hàm lượng sinh khối khô tại lúc t = 0 và tại thời điểm t, ta có:

Lấy vi phân

Trang 19

Bảng 2 Thời gian tăng đôi và vận tốc tăng trưởng riêng của một số chủng vi sinh vật

Trong giai đoạn tăng trưởng logarit của chủng vi sinh vật A, người

ta ghi nhận thấy hàm lượng sinh khối khô tăng từ 0,25 g/L đến 1,25 g/L trong 4 giờ.

1.Hỏi thời gian tăng đôi của chủng vi sinh vật này là mấy giờ?

2.Vận tốc tăng trưởng riêng của chủng vi sinh vật A là bao nhiêu?

(đơn vị là 1/h) 3.Thời gian lên men cần thiết để hàm lượng sinh khối khô của chủng

vi sinh vật A tăng từ 0,1 g/L đến 5 g/L là bao nhiêu giờ?

74

-1 Sự tăng trưởng của vi sinh vật

Sự tiêu vong của vi sinh vật:

Trong giai đoạn tăng trưởng logarit này, bên cạnh sự tăng trưởng, một phần vi sinh vật cũng bị tiêu vong Phương pháp khảo sát sự tiêu vong của vi sinh vật cũng tương tự như trường hợp tăng trưởng Vận tốc tiêu vong riêng α được định nghĩa

Cân bằng sinh khối khô:

Trong một đơn vị thời gian, với mỗi đơn vị thể tích của dịch lên men, ta có:

lượng sinh khối khô do dòng vào mang vào: FiXi/V

lượng sinh khối khô tạo ra từ sự tăng trưởng của vi sinh vật: μX

lượng sinh khối khô mất đi do sự tiêu vong của vi sinh vật: −αX

lượng sinh khối khô do dòng ra mang đi: FoXo/V

Xét một thiết bị lên men, chứa một lượng dịch lên men là V Dòng vào thiết bị có lưu lượng là Fi, dòng rời khỏi thiết bị có lưu lượng là Fo Hàm lượng sinh khối khô trong dòng vào và dòng ra lần lượt là Xi và Xo

Trang 20

2 Sự tạo thành sản phẩm

2.1 Sự tạo thành sản phẩm khi phụ thuộc vào tăng trưởng của VSV

Các sản phẩm phụ thuộc vào tăng trưởng có thể là: sinh khối vi sinh vật, các sảnphẩm của trong quá trình đồng hóa khi trao đổi chất (như etanol), các sản phẩmtrung gian được tạo ra trong quá trình trao đổi chất (một số axit amin hay vitamin)

Trong điều kiện lên men từng mẻ, trong khi lên men ta không bổ sung thêm cơchất & dưỡng chất và dịch lên men cũng không bị lấy đi khỏi thiết bị lên men thìvận tốc tạo thành sản phẩm tỷ lệ thuận với hàm lượng sinh khối khô:

 P: hàm lượng sản phẩm trong dịch lên men: g/L, kg/L hay mol/L hay mmol/L

 dP/dt là vận tốc tạo thành sản phẩm

 qPlà vận tốc tạo thành sản phẩm riêng, là vận tốc tạo thành sản phẩm ứng vớiđơn vị khối lượng sinh khối khô Khi đơn vị của X và P giống nhau thì đơn vịcủa qPlà 1/h

2.1 Sự tạo thành sản phẩm khi phụ thuộc vào tăng trưởng của VSV

MQH Giữa vận tốc tạo thành sản phẩm và vận tốc tăng trưởng riêng :

Trong đó YP/x là lượng sản phẩm được tạo thành từ 1 đơn vị khối lượng sinh khối khô.

Sự thay đổi của P trong quá trình lên men từng mẻ

2.2 Sự tạo thành SP khi phụ thuộc một phần vào tăng trưởng của VSV

Các sản phẩm thuộc nhóm này chỉ xẩy ra trong một phần của giai đoạn logarit khi nồng độ của một số chất nào đó trong dịch lên men đạt giá trị xác định Một thí dụ cho sản phẩm thuộc nhóm này là axit lactic.

2.3 Sự mất mát sản phẩm

Trong quá trình lên men, lượng sản phẩm sinh ra có thể bị mất đi một phần do nhiều nguyên do như bị lôi cuốn theo khí thoát ra ngoài hay tham gia vào một vài phản ứng nào đó (như etanol và axit tạo ester) Nhìn chung vận tốc sản phẩm bị mất đi tỷ lệ thuận với nồng độ sản phẩm:

β là vận tốc mất mát sản phẩm riêng, là vận tốc mất mát sản phẩm tương ứng với một đơn vị của sản phẩm Đơn vị của β thường là 1/h.

Trang 21

2.4 Cân bằng sản phẩm

Xét một thiết bị lên men, chứa một lượng dịchlên men là V Dòng rời khỏi thiết bị có lưu lượng

là Fo, hàm lượng sản phẩm trong dòng này Po

Trong một đơn vị thời gian, với mỗi đơn vị thểtích của dịch lên men, ta có:

lượng sản phẩm tạo ra: qPX

lượng sản phẩm bị mất đi: βP

lượng sản phẩm do dòng ra mang đi: FoPo/V

Cân bằng sản phẩm trong một đơn vị thời gian của thiết bị

3 Sự tiêu thụ cơ chất & dưỡng chất

3.1 Vận tốc tiêu thụ cơ chất & dưỡng chất

qSlà vận tốc tiêu thụ cơ chất ứng với 1 đơn vị khối lượng sinh khối khô (vậntốc tiêu thụ cơ chất riêng)

Cơ chất được tiêu thụ để sử dụng vào những việc sau:

Để tạo ra sự tăng trưởng của vi sinh vật Nếu trong một đơn vị thời gian, lượng

sinh khối khô tạo ra là dX thì lượng cơ chất cần dùng là μX/Yx/s với Yx/s là lượngsinh khối khô tạo ra từ 1 đơn vị cơ chất

Để tạo ra sản phẩm Nếu trong một đơn vị thời gian, lượng sản phẩm tạo ra là dP

thì lượng cơ chất cần dùng là qPX/Yp/s với YP/Slà lượng sản phẩm tạo ra từ 1 đơn

vị cơ chất

Để duy trì hoạt tính của vi sinh vật Do lượng vi sinh vật được đặc trưng bằng X

nên trong một đơn vị thời gian, lượng cơ chất cần sử dụng là mX với m là lượng cơchất cần dùng để duy trì hoạt tính của một đơn vị khối lượng vi sinh vật

Cân bằng cơ chất dưỡng chất

Xét một thiết bị lên men, chứa một lượng dịch lên men là V Dòng vào thiết bị có lưu lượng là

Fi, dòng rời khỏi thiết bị có lưu lượng là Fo

Hàm lượng cơ chất trong dòng vào và dòng ra lần lượt là Si và So

Trong một đơn vị thời gian, với mỗiđơn vị thể tích của dịch lên men, tacó:

lượng cơ chất mang vào bởi dòngvào: FiSi/V

lượng cơ chất bị mất đi để vi sinhvật có thể tăng trưởng: μX/YX/S

lượng cơ chất bị mất đi để tạo sảnphẩm mới: qSX/YP/S

lượng cơ chất bị mất đi để duy trìhoạt tính của vi sinh vật: mX

lượng sinh khối khô do dòng ramang đi: FoSo/V

Cân bằng cơ chất trong một đơn vị thời gian

Hiệu quả sử dụng cơ chất: Hiệu quá sử dụng cơ chất được đánh

giá qua các hệ số chuyển hóa cơ chất YX/Svà YP/S

Bảng 2 Hệ số YX/S trong một số trường hợp

Saccharomyces cerevisiae Glucoz (hiếu khí) 0,50

YX/Slà khối lượng sinh khối khô thu được từ một đơn vị cơ chất (kg sinh khốikhô/kg cơ chất)

Trang 22

Trong trường hợp cơ chất chính là nguồn C và vi sinh vật không tạo ra sản phẩm nào khác (ngoài sinh khối) thì giá trị lý thuyết của

YX/Sđược tính như sau (Scragg, 1991):

Viết phương trình oxy hóa cơ chất bằng oxy trong đó sản phẩm oxy hóa của C là CO2và của hydro là H2O.

Từ phương trình này ta xác định được số mol oxy cần thiết để oxy hóa 1 mol cơ chất.

Mỗi mol oxy sẽ tương ứng với 4 mol "electron khả dụng".

Thực nghiệm cho thấy mỗi mol "electron khả dụng" tạo ra được 3,14 ± 0,11 g sinh khối khô (không bao gồm chất khoáng)

Thí dụ : Glucoz bị oxy hóa bởi oxy theo phản ứng

YP/Slà lượng sản phẩm thu được từ một đơn vị cơ chất.

VD: Xác định giá trị YP/Slý thuyết của quá trình lên men rượu từ glucoz.

Lời giải

Quá trình lên men rượu từ glucoz có thể biểu diễn bằng phản ứng sau:

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2Phương trình này cho thấy cứ mỗi mol glucoz (180 g) tạo ra được 2 mol etanol(92 g) Vậy giá trị YP/Slý thuyết trong trường hợp này là:

YP/S=92/180=0,5111

Thí dụ

Một chủng nấm men B được nuôi trên cơ chất glyxerol Trong khoảng thời gian 6 giờ của giai đoạn tăng trưởng logarit, hàm lượng sinh khối khô tăng từ 0,2 g/L đến 2,8 g/L Cũng trong thời gia đó, người ta thấy nồng độ glyxerol giảm đi 4,5 g/L.

1.Xác định vận tốc tăng trưởng riêng của quá trình lên men này (đơn

vị 1/h).

2.Xác định giá trị của Yx/s của quá trình này.

3.Xác định vận tốc tiêu thụ cơ chất riêng của quá trình này (đơn vị là 1/h).

Trang 23

89

-4 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc tăng trưởng riêng μ

Ảnh hưởng của hàm lượng cơ chấtPhương trình Monod

μmaxvà KS là các hằng số thực nghiệm

 Nhìn chung, khi nồng độ cơ chất S tăng thì vận tốc tăng trưởng riêng μ cũngtăng theo Nhưng khi S nhỏ, μ tăng nhanh hơn

 Khi S tăng đến những giá trị rất lớn thì μ tiến đến giá trị giới hạn μmax

 Khi S=KS thì μ=μmax/2

 Trong suốt quá trình lên men, μ luôn thay đổi Tuy nhiên khi S có giá trị lớn sovới KSthì sự thay đổi này không đáng kể Khi ấy ta có thể xem μ như là mộthằng số (giai đoạn tăng trưởng logarit)

Vi sinh vật (mg/L) Cơ chất KSSaccharomyces cerevisiae Glucoz 0,025

E coli Lactoz 0,200

E coli (khuyết dưỡng) Tryptophan 0,0011

Aspergillus niger Glucoz 0,0050

A niger (khuyết dưỡng) Arginine 0,0005

Candida utilis Glycerol 0,0045

YX/Slà 0,56 Ta quy ước rằng giai đoạn tăng trưởng logarit bắt đầu chuyển tiếp sang giai đoạn cân bằng (giai đoạn tăng trưởng giảm) khi μ bằng 80% của μmax.

1.Khi nồng độ cơ chất là bao nhiêu g/L thì bắt đầu giai đoạn tăng trưởng giảm?

2.Trong giai đoạn tăng trưởng logarit, ta xem như vận tốc tăng trưởng riêng (trung bình) là 90% của μmax Hỏi giai đoạn tăng trưởng logarit kéo dài mấy giờ ?

Trang 24

4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng cơ chất Một số trường hợp đặc biệt

Trong một số trường hợp, phương trình Monod không được nghiệm đúng (Hình 9) Lý do có thể là:

VSV cần một lượng cơ chất nhất định để duy trì các chức năng sống cũng như hoạt tính của mình Do đó quá trình tăng trưởng chỉ bắt đầu khi lượng cơ chất vượt qua một giới hạn Smin nào đó (Hình 9a).

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc tăng trưởng riêng μ

Ảnh hưởng của hàm lượng cơ chất Một số trường hợp đặc biệt

có một số cơ chất tăng cường hoạt động của ví sinh vật ở nồng độ thấp nhưng sẽ ức chế lại vi sinh vật ở nồng độ cao, khi vượt quá giá trị tới hạn SC (thí dụ glucoz) (Hình 9b).

Trang 25

4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng cơ chất Một số trường hợp đặc biệt

khi khả năng khuếch tán hay hòa tan của cơ chất có giới hạn Điều này thường xảy ra cho các cơ chất ở dạng khí như CO2 Trường hợp này cũng tồn tại một nồng độ tới hạn SC(Hình 9c).

4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độPhương trình Arhenius:quan hệ giữa vận tốc phản ứng hóa học W và nhiệt độ T

 KW: một hằng số thực nghiệm,

 Ea: năng lượng hoạt hóa,

 R: hằng số khí lý tưởng,

 T: nhiệt độ tuyệt đối,

Khi nhiệt độ tăng, vận tốc phản ứng xẩy ra nhanh hơn.

4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính vi sinh vật

Sẽ có một nhiệt độ Tm để vận tốc tăng trưởng riêng đạt giá trị lớn nhất

Phương trình Arhenius không nghiệm đúng trong một số trường hợp, đặc biệt khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp Khi ấy cơ thể vi sinh vật

có một số thay đổi, chẳng hạn như protein bị biến tính, các quá trình trao đổi chất trong vi sinh vật không còn hoạt động bình thường nữa.

5 Phương pháp tiến hành quá trình lên men

Lên men từng mẻ Lên men từng mẻ, lên men từng mẻ có bổ sung cơ chất và lên men liên tục.

Toàn bộ cơ chất, dưỡng chất và vi sinh vật được đưa vào ngay từ đầu quá trình lên men Trong quá trình lên men chỉ có sự cung cấp và lấy

đi các khí (nếu có) và các dung dịch để duy trì pH của dịch lên men

Trang 26

Lên men theo mẻ có bổ xung cơ chất & dưỡng chất Lên men từng mẻ, lên men từng mẻ có bổ xung cơ chất và lên men liên tục.

Việc đưa toàn bộ cơ chất & dưỡng chất vào thiết bị lên men không có lợi haythậm chí không thể thực hiện được vì nồng độ cao của các chất này sẽ ức chếhoạt động của vi sinh vật Khi đó người ta chọn phương án bổ sung dần cơ chất

& dưỡng chất trong quá trình lên men Điều này còn có lợi điểm là ta có thể duytrì nồng độ các chất ấy ở giá trị tối ưu, làm tăng hiệu quả của sự lên men

Lên men liên tục Lên men từng mẻ, lên men từng mẻ có bổ xung cơ chất và lên men liên tục.

vi sinh vật, cơ chất & dưỡng chất được liên tục đưa vào nồi lên men, đồng thời dịch lên men cũng liên tục được lấy ra ngoài.

Động học quá trình lên men theo mẻ:, Fi=Fo=0

Sự tăng trưởng của vi sinh vật

Trong trường hợp α rất bé so với μ,

Tương tự cho sản phẩm P và cơ chất S, ta có:

Năng suất của quá trình lên men theo mẻ

Trong trường hợp sự tăng trưởng của vi sinh vật là yếu tố được quan tâm hơn cả, ta có thể xem năng suất là lượng sinh khối khô được tạo ra trong một đơn vị thời gian:

M biểu diễn cho thời điểm chấm dứt quá trìnhlên men Tại điểm ấy, hàm lượng sinh khối khô

là X và thời gian lên men là t Như vậy năngsuất quá trình lên men chính là độ dốc củađường OM Năng suất này cực đại khi OM làtiếp tuyến của đường cong tăng trưởng Điềunày cũng có nghĩa là ta nên ngừng quá trình lênmen khi bắt đầu chuyển sang giai đoạn cânbằng (hay giai đoạn tăng trưởng chậm)

Trang 27

Động học quá trình lên men liên tục: có hai cách chính để thực

hiện việc cung cấp cũng như lấy đi dưỡng chất, cơ chất, vi sinh vật, dịch lên men

 Duy trì thể tích lên men không thay đổi (chemostat): giữ cho lưu lượng dòng

vào và dòng ra bằng nhau (và có thể không đổi) Khi ấy hàm lượng sinh khối khô,sản phẩm, cơ chất có thể thay đổi theo thời gian

 Duy trì hàm lượng sinh khối khô không thay đổi (turbidiostat): đo X  điều

khiển tự động lưu lượng cũng như sự phối chế các thành phần cho dòng vào

Xi≈0; Xo≈X.

Độ pha loãng

Động học quá trình lên men liên tục:có hai cách chính để thực hiệnviệc cung cấp cũng như lấy đi dưỡng chất, cơ chất, vi sinh vật, dịch lên men

Khi hệ hoạt động ổn định thì μ=D

Điều chỉnh D (nghĩa là điều chỉnh lưu lượng),

ta có thể thay đổi vận tốc tăng trưởng riêng μ

và qua đó tác động đến năng suất thiết bị Tuyvậy tồn tại một giá trị tới hạn DC (Hình 16)

Khi D gần giá trị tới hạn DC, năng suất lạigiảm nhanh

Trang 28

CÔNG NGHỆ LÊN MEN I

Fermentation Technology I

TS NGUYỄN ĐỨC KHUYẾN

Chapter 2:

Fermentation equipment

Chapter 7- Principles of Fermentation - Hall, Stephen

1 Nhóm các trang thiết bị chuẩn bị:

 Các trang thiết bị chuẩn bị nguyên liệu:

 Các trang thiết bị chuẩn bị vi sinh vật:

 Các trang thiết bị chuẩn bị cho thiết bị lên men

2 Hệ thống lên men- Bioreactor

3 Các thiết bị sau lên men

 Các trang thiết bị dùng để loại bỏ các tạp chất dạng thô như lắng, lọc, ly tâm.

 Các trang thiết bị dùng để tính luyện sản phẩm như cô đặc, kết tinh, sấy, chưng cất.

Chronical 1/2 Barrel (17 Gallon – 64,5 Litre) Fermenter

100 hl (10,000 L) beer fermenters

Laboratory fermenter -bioreactor advanced kit 1L vessel

Trang 29

 Aerobic fermenters require much more elaborate equipment to ensure that mixing and adequate aeration are achieved.

Most industrial fermentation process are aerobic.

6

Thân nồi

- Hệ thống khuấy trộn C: tạo sự đồng nhất của dịch lên

men trong nồi và tăng cường độ hòa tan của oxygenvào dịch lên men

- Thiết bị giải nhiệt B

- Hệ thống cung cấp oxygen: xử lý khí trước khi đưa

vào phân phối cho thùng lên men

+ Máy nén khí: Lưu ý là nhiệt phát ra trong quá trình nénkhông khí do vậy cần phải giải nhiệt cho hệ thống thiết bịnén và không khí nén trước khi cung cấp vào nồi lên men

+ Hệ thống tách nước ngưng trong khí nén, Hàm lượng

ẩm cao trong khí nén sẽ làm tăng thể tích dịch lên men,giảm lưu lượng khí qua các lọc khi và có thể gây tạpnhiễm

+ Thiết bị lọc khí

+ Các thiết bị điều khiển áp suất, lưu lượng

- Hệ thống phân phối khí F (air sparger)

- Hệ thống thoát khí và hồi lưu dịch bọt tan KT (cyclone): không khí được sục vào từ đáy

nồi lên men, sau đó sẽ thoát ra ngoài qua hệ thống cyclone được gắn ở đỉnh bồn

7

Hệ thống các đầu dò cảm biến (sensor) để điều

khiển pH, nhiệt độ, độ oxygen hoà tan (DO2), phá bọt tự động … Một hệ thống điều kiện tự động bao gồm: đầu dò cảm biến gắn trực tiếp vào nồi lên men, thiết bị ghi nhận và xử lý tín hiệu, van tự động đóng mở để kiểm soát lượng tác nhân hiệu chỉnh cung cấp vào nồi lên men trong quá trình nuôi cấy

- Các đường ống: nạp liệu, nạp giống, lấy mẫu, đường

xả dịch …Tất cả các đường ống này đều có gắn van nhằm cô lập các hệ thống hỗ trợ với nồi lên men và để điều tiết dịch nạp vào hoặc chiết ra khi cần thiết

Đo lường trong thiết bị lên men

KT: xác định thành phần khí thoát khỏi thùng,

N: đo vận tốc quay của cánh khuấy,

V: đo mức của dịch lên men, qua đó ta có thể xác định được thể tích của dịch lên men,

X: đo hàm lượng sinh khối khô,

T: đo nhiệt độ môi trường lên men,

pH: đo pH của dịch lên men,

Oxy: đo hàm lượng oxy hòa tan trong dịch lên men,

LL: đo lưu lượng dòng khí vào thùng

Các cảm biến một mặt nối với cơ cấu hiển thị, nhưng mặt khác lại nối với các cơ cấu điều khiển tương ứng để giữ cho thông số có liên quan ở giá trị tốt nhất.

8

-Các dòng vật chất

1: đưa canh trường vào thùng,

2: đưa dưỡng chất & cơ chất vào thùng,

3: đưa dịch lên men ra khỏi thùng,

8: đưa hơi nước vào thùng để thanh trùng hay tiệttrùng rồi sau đó dẫn nước ngưng ra khỏi thùng

Thông thường các đường ống này được nối với hệthống CIP (Clean In Place) hay SIP (Sterilization InPlace)

9: dùng để lấy mẫu để theo dõi hay kiểm tra Mẫunày có thể được đưa trở lại thùng lên men haykhông

Trang 30

IDEAL FERMENTOR PROPERTIES

 Supports maximum growth of the organism

 Aseptical operation (Vô trùng)

 Adequate aeration and agitation

 Low power consuming

 Temperature control system

 pH control system

 Sampling facilities should be provided

 Minimum evaporation loss

 Minimum use of labor

 Range of processes

 Smooth internal surfaces

 Similar in geometry to both smaller

& larger vessels in pilot plant

 Cheapest material usage

 Adequate service provisions

 Provision for control of contaminants

 Provision for intermittent addition of antifoams

 Inoculum introduction facility

 Mechanism for biomass/ product removal

 Setting for rapid incorporation of sterile air

 Withstands pressure

 Ease of manipulation

11

-FERMENTER BODY CONSTRUCTION CONSTRUCTION MATERIALS

In fermentations with strict aseptic requirements, it is important to select materials that can withstand repeated steam sterilization cycles.

On a small scale (1–30 dm3): glass and/or stainless steel.

Glass is useful because it gives smooth surfaces, is nontoxic, corrosion proof, and it is usually easy to examine the interior of the vessel.

Two basic types of fermenter are used:

 A glass vessel with a round or flat bottom and a top flanged carrying plate

 A glass cylinder with stainless-steel top and bottom plates

12

-A A glass vessel with a round or flat bottom and a top flanged carrying plate: All vessels of this type have to be sterilized (khử trùng) by autoclaving (nồi hấp) The largest practical diameter for glass fermenters is 60 cm.

Trang 31

13

-B A glass cylinder with stainless-steel top and bottom plates These fermenters may be sterilized in situ (tại chỗ), but 30 cm diameter is the upper size limit to safely withstand working pressures Vessels with two stainless steel plates cost approximately 50% more than those with just a top plate

 Pilot-scale and industrial-scale vessels: stainless steel or steel cladding to limit corrosion Mild steel coated with glass or phenolic epoxy materials has occasionally been used.

stainless- Wood, plastic, and concrete have been used when contamination was not a problem in a process.

 AISI grade 316 steels, which contain 18% chromium, 10%

nickel and 2–2.5% molybdenum are now commonly used in fermenter construction

The thickness of the construction material will increase with scale At 300,000–400,000 dm3 capacity, 7-mm plate may be used for the side of

a vessel and 10-mm plate for the top and bottom, which should be hemispherical (bán cầu) to withstand pressures.

Theo tổ chức AISI (American Iron and Steel Institute), khi chế tạo thùng lên men và cácchi tiết có tiếp xúc với dịch lên men như cánh khuấy, ống dẫn, co nối, van, ta nên lưu ýmột số điểm sau:

Trong trường hợp yêu cầu không quá cao về khả năng chịu ăn mòn, ta có thể sử dụngthép không rỉ SS304 hay SS304L Với thành phần của crôm khoảng 18 - 20% và củanickel khoảng 8 - 10%, loại vật liệu này có thể đáp ứng tốt cho các yêu cầu thông thường

Khi phải chịu sự ăn mòn mạnh của một số muối và các nguyên tố thuộc nhóm halogen, tanên dùng thép không rỉ SS316 hay SS316L Ngoài thành phần của crôm và nickel gầntương đương với SS304, SS316 được bổ xung khoảng 2 - 3% molipđen Chính thànhphần này làm tăng khả năng chịu ăn mòn của thép một cách đáng kể

Khi môi trường lên men có pH thấp, khoảng 1 đến 2 (thí dụ trong lên men xitric), nêndùng thép không rỉ SS317 hay SS317L Loại thép này được bổ xung nhiều molipđen hơn

so với SS316, khoảng 3 - 4%

Trong các loại thép trên, ký hiệu "L" là loại thép có hàm lượng cac bon thấp Các loạithép có ký hiệu này nên dùng cho các chi tiết được gia công bằng phương pháp hàn

Sau khi đã gia công, ta cần xử lý lại bề mặt để đạt độ bóng cao, nhờ vậy vi sinh vật không

có điều kiện thuận tiện để bám lên bề mặt Chiều cao các nhấp nhô tế vi phải bé hơn0,6 μm

 Laboratory scale: placing the fermenter in a thermostatically controlled bath, using internal heating coils or a heating jacket through which water is circulated

 Industrial scale: using internal coils and cold water is circulated to achieve the correct temperature

Energy balance for a fermenter during normal operation

where Qmet, heat generation rate due to microbial metabolism; Qag, heat generation rate due

to mechanical agitation; Qgas, heat generation rate due to aeration power input; Qacc, heat

accumulation rate by the system; Qexch, heat transfer rate to the surroundings and/or heat

exchanger; Qevap, heat loss rate by evaporation; Qsen, rate of sensible enthalpy gain by theflow streams (exit—inlet)

Trang 32

17

-AERATION AND AGITATION

Aeration provides microorganisms

in submerged culture with sufficient oxygen for metabolic requirements.

Agitation ensure a uniform suspension of microbial cells is achieved in a homogenous nutrient medium.

The type of aeration-agitation system used in a particular fermenter depends

on the characteristics of the fermentation process under consideration.

18

-BAFFLES

• Four baffles are normally incorporated intoagitated vessels of all sizes to prevent avortex and to improve aeration efficiency

• Baffles are metal strips roughly one-tenth

of the vessel diameter and attached radially

to the wall

• It is recommended that baffles should beinstalled so that a gap existed betweenthem and the vessel wall, so that there was

a scouring action around and behind thebaffles thus minimizing microbial growth

on the baffles and the fermenter walls

• Extra cooling coils may be attached tobaffles to improve the cooling capacity of afermenter without unduly affecting thegeometry

19

-STERILIZATION OF THE FERMENTER

The fermenter should be designed that it may be steam sterilized under pressure

The medium may be sterilized in the vessel or separately, and subsequently addedaseptically

STERILIZATION OF THE AIR SUPPLY

There are two ways to sterilize the air: heat and filtration Heat is generally too costly forfull-scale operation Glass wool, glass fiber or mineral slag wool have been used as filtermaterial, but currently most fermenters are fitted with cartridge-type filters

During sterilization the main nonsterile air inletvalve A is shut, and initially the sterile airvalve B is closed

Steam is applied at valve C and air is purgeddownwards through the filter to a bleed valve

at the base

When the steam is issuing freely through thebleed valve, the valve B is opened to allowsteam to pass into the fermenter as well asthe filter

It is essential to adjust the bleed valve toensure that the correct sterilization pressure ismaintained in the fermenter and filter for theremainder of the sterilization cycle

20

-VALVES AND STEAM TRAPS

Valves attached to fermenters and ancillary equipment are used for controlling the flow of liquids and gases in a variety of ways.

There are four main types of valves:

• Simple ON/OFF valves which are either fully open or fully closed.

• Valves which provide coarse control of flow rates.

• Valves which may be adjusted very precisely so that flow rates may be accurately controlled.

• Safety valves which are constructed in such a way that liquids or gases will flow in only one direction.

Trang 33

21

-It is suitable for general purposes on a steam or a waterline for use when fully open or fully closed and therefore should not be used for regulating flow.

Gate Valves

22

-Globe Valves

A horizontal disc or plug is raised or lowered in its seating

to control the rate of flow It is not suitable for asepticoperation There is a high pressure drop across the valvebecause of the flow path

Piston ValvesThe piston valve is similar to a globe valve except thatflow is controlled by a piston passing between twopacking rings This design has proved in practice to bevery efficient under aseptic operation

24

-Pinch Valve

• In the pinch valve a flexible sleeve is closed by a pair of pinch bars or someother mechanism which can be operated by compressed air remotely orautomatically

• The valve is suitable for aseptic operation with fermentation broths, even whenmycelial, as there are no dead spaces in the valve structure, and the closingmechanism is isolated from the contents of the piping

Trang 34

25

-Check Valves

• The purpose of the check valve is to prevent accidental reversal of flow of liquid or gas in a pipe due to breakdown in some part of the equipment.

• There are three basic types of valve: swing check, lift check and combined stop and check with a number of variants.

• The swing check valve is most commonly used in fermenter designs.

26

-SAFETY VALVES

must be incorporated intoevery air or steam line andvessel, which is subjected topressure to ensure that thepressure will never exceed thesafe upper limit recommended

by the manufacturer or a code

of practice and to satisfygovernment legislation andinsurance companies

Pressurized steam enters the valve through the nozzle and is then threaded to the boiler The disc is the lid to the nozzle, which opens or closes depending on the pressure coming from the boiler

The spring is the pressure controller

When the pressure becomes higher than the predetermined pressure of the spring, the disc will start to lift and release the steam After it has released and the steam and pressure drops below the set pressure of the valve, the spring will close the disc

• The second element is a device which will open or close the valve

by measuring some parameter of the condensate reaching it to determine whether it should be discharged

Phân loại các thiết bị lên men

 Loại khuấy trộn bằng phương pháp cơ học, có thể là bằng cánh khuấy, hoặc

cho thùng lên men quay, hay sử dụng các cơ cấu tạo rung, hay bằng cách đuđưa thùng lên men,

 Loại khuấy trộn bằng khí động với các bọt khí có vận tốc tương đổi lớn,

hay tạo ra các dòng tuần hoàn trong thùng lên men,

 Loại khuấy trộn bằng thủy lực với cách phun tia hay các bọt khí có vận tốc

tương đổi lớn tạo ra các dòng tuần hoàn trong thùng lên men

Trong kỹ thuật lên men bằng các tế bào được cố định, ta có những loại thiết

bị sau:

 loại lớp: tế bào được cố định trong các viên và ta đặt các viên này vào thùng

lên men Các viên này có thể không di chuyển (lớp tĩnh), hay chuyển động(lớp sôi)

 loại màng: tế bào được cố định trong các màng mỏng và đặt trong thùng lên

men

Thiết bị lên men có 3 loại chính: không khuấy trộn, không sục khí, không khuấy trộn, có sục khí, có khuấy trộn và sục khí

Trang 35

Strategies for Choosing a Bioreactor

 Microorganism species

 Growth and oxygen requirements

 Shear and rheology effects

 Cleaning and Sterility

 Light

 Foam

 Heating and cooling

 Materials of construction

Stirred Tank Bioreactors

 The most important type of bioreactor for industrial production processes.

 Easy scale-up, good fluid mixing and oxygen transfer ability, alternative impellers

 High power consumption, high shear, and the concerns about sealing and stability of shafts in tall bioreactors

Compared to microorganisms, both animal cells and plant cells are shear sensitive, which results in remarkable efforts to modify and optimize the impeller system in order to balance mixing and mass transfer requirement and potential damage by hydrodynamic force

31

-Schematic diagram of stirred-tank bioreactors (STRs) with differentimpellers: (a) STR with turbine impeller; (b) gate paddle bioreactor with aspiral sparger; (c) large flat-bladed impeller bioreactor; (d) internallyilluminated bioreactor; (e) helical ribbon impeller bioreactor; (f) centrifugalimpeller bioreactor

32

-Pneumatically Agitated Bioreactors

Pneumatic bioreactor is a type of gas–liquid dispersion reactor consisting of a cylindrical vessel, where compressed air or gas mixture is usually introduced at the bottom of the vessel through nozzles, perforated plates, or a ring sparger, for aeration, mixing, and fluid circulation, without moving mechanical parts.

There are two main types of pneumatically agitated bioreactors: airlift and bubble-column bioreactors, which are generally of low shear stress and simple design and construction.

Trang 36

Bubble Column Reactor

 Used in production of Baker’s yeast, beer andvinegar

 Also used in aeration and treatment ofwastewater

 In bubble columns, the hydrodynamics andmass transfer depend on the size of bubblesand how they are released from the sparger

Advantages

It acquires good heat and mass transfer Easy to operate

Low maintenance

Disadvantages

Back mixing is a major drawback which adversely affects product conversion.

Pneumatically Agitated Bioreactors

34

-Airlift Bioreactor

 Mixing is accomplished without any mechanical agitation

 Used for tissue culture because the tissues are sensitive to shear stress, thus normal mixing is not possible

 Air is fed into the bottom of a central draught tube through a sparger ring

The flow passes up through the draft tube to the head space of the bioreactor, where excess air, by-product and CO2disengage

 In general, airlift bioreactors the following features: Internal loop or External loop , Draft tubes

Pneumatically Agitated Bioreactors

Advantages

 Low shear, which means it can be used for plant and animal cells

Extremely large vessel can be constructed

Disadvantages

 High capital cost with large scale vessel High energy cost

 As the microorganism circulate through the bioreactor, the conditions change, and it is impossible to maintain consistent levels of carbon source, nutrients and oxygen throughout the vessel

Trang 37

Membrane Reactors

 A membrane reactor is a flow reactor within which membranes are used to separate cells or enzymes from the feed or product streams

 Usually a continuous system

 Products may also be removed continuously, but in some applications they must be harvested intermittently or at the end of the run

 The loss of the enzyme is minimized.

 Effluent quality is high

 The effluent is properly disinfected from all the pathogenic microbes

 Disadvantages

 Quite costly and energy-consuming

 The aeration is limited

 Membrane pollution is also a drawback

Photo-bioreactors

 Utilizing a light source to cultivate phototrophic microorganisms Theseorganisms use photosynthesis to generate biomass from light andcarbon dioxide and include plants, mosses, macroalgae, microalgae,cyanobacteria and purple bacteria

 Within the artificial environment of a photobioreactor, specific conditionsare carefully controlled for respective species Thus, a photobioreactorallows much higher growth rates and purity levels than anywhere innature or habitats similar to nature

Designed for applications such as wastewater treatment, water qualitymanagement, remediation of contaminated soil

Organisms used: green and blue-green (bacteria) algae, photoautotrophs,photo-heterotrophs

Culture systems utilizing ponds or rectangular tanks with limited mixing

Deep channeled culture systems with a closed circulating loop and bettermixing

Advantages

Contamination is lower

It can be space-saving as it can be placedvertically, horizontally or at an angle,indoors or outdoors

Disadvantages

The control of PH and temperature isquite difficult

It is somewhere susceptible tocontamination

Photo-bioreactors

Trang 38

1 Khái quát về cố định vi sinh vật

LÊN MEN VỚI VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH VÀ LÊN MEN TRÊN MÔI TRƯỜNG RẮN.

"Cố định" vi sinh vật là giữ chúng ở một vị trí nào đó bằng cách bao bọc, gắntrên chất mang, hay bằng biện pháp khác mà không làm suy giảm hoạt tính củachúng

Các ưu điểm

Do sản phẩm thô thu được sau khi lên men thường ở dạng hòa tan hay dạng lỏngnên khi lên men bằng phương pháp này, việc phân riêng sản phẩm thô được dễdàng, thuận tiện hơn

Việc thực hiện lên men liên tục dễ dàng hơn một cách đáng kể, dòng sản phẩm

ra hầu như không có vi sinh vật nên việc xử lý đơn giản hơn nhiều

Có thể nâng cao mật độ vi sinh vật trong thiết bị lên men, qua đó nâng cao đượcnăng suất thiết bị

Thời gian sử dụng vi sinh vật dài hơn do được sử dụng lại nhiều lần, điều nàygiúp khối lượng công việc về nhân giống vi sinh vật giảm nhẹ

2 Phương pháp cố định vi sinh vật Hấp phụ trên bề mặt

Vi sinh vật được giữ trên bề mặt giá thể bằng các loại lực khác nhau như liên kết ion, liên kết cộng hóa trị

Lực liên kết giữa vi sinh vật và bề mặt giá thể đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của quá trình lên men Nếu lực này không đủ mạnh,

vi sinh vật sẽ chuyển vào môi trường lên men, các ưu điểm của sự cố định không còn nữa.

2 Phương pháp cố định vi sinh vật Hấp phụ trên bề mặt

Tăng cường lực liên kết này bằng các biện pháp sau:

tăng cường khả năng bám dính của giá thể bằng cách sử dụng các oxit kim loại, glutaraldehit, amminosilan,

tạo các nhấp nhô tế vi trên bề mặt để tăng diện tích tiếp xúc giữa vi sinh vật và giá thể.

sử dụng các chủng vi sinh vật có cơ chế "cảm ứng bề mặt": khi vi sinh vật tiếp xúc với bề mặt, chúng tiết ra những chất có khả năng bám dính cao để giữ chúng dính chặt hơn lên bề mặt.

2 Phương pháp cố định vi sinh vật

Bề mặt hấp phụ thường dùng giá thể là các hạt nhỏ bằng polyme, bên

trong có cấu trúc xốp Nhờ đó diện tích bề mặt riêng của giá thể lớn,

có thể hấp phụ một lượng đáng kể vi sinh vật trong một kích thước nhỏ.

Hấp phụ trên bề mặt

Trang 39

Giữ trong lưới

Các chất tạo gel

Polysaccarit : là nhóm vật liệu truyền thống để tạo gel, trong nhóm này phổ biến hơn cả là alginat, carrageenan, carboxymethyl cellulose (CMC), chitosan.

Polyme tổng hợp như polyamit, polyacrylat.

2 Phương pháp cố định vi sinh vật Giữ trong lưới

Sự hình thành mạng lưới gel

Hỗn hợp G gồm chất tạo gel ở dạng lỏng và vi sinh vật đượcđặt trong ống và nhỏ giọt vào trong dung dịch D Mạng lướigel được hình thành trong dung dịch này, đồng thời xảy ra

sự cố định vi sinh vật

Để tăng độ bền của hạt gel, ta có thể bọc một lớp vỏ mỏngbằng hợp chất silic lên bề mặt hạt gel Muốn vậy, ta đặt dungdịch chứa hợp chất này trong một ống S bọc ngoài ống G

Khi giọt gel rơi khỏi ống G thì một lượng dung dịch hơpchất silic sẽ phủ ngoài giọt gel và hình thành lớp vỏ bao bọchạt gel

Các hạt gel hình cầu thường có đường kính khoảng 1 đến

5 mm

2 Phương pháp cố định vi sinh vật Bọc trong vỏ

Vi sinh vật được bọc trong một vỏ xốp có những ống mao dẫn nhỏ để dẫn cơ chất, dưỡng chất và sản phẩm Vi sinh vật có thể di chuyển bên trong vỏ này Hình dáng lớp vỏ này cũng đa dạng: hình cầu, hình sợi, hai mặt phẳng song song, hai mặt trụ đồng trục,

Vật liệu làm vỏ bọc

polypropylen (PP), polysulfon, polyvinyl clorua (PVC), silicon cacbit, sứ Trong trường hợp vi nang, vật liệu phổ biết là alginat.

Trang 40

2 Phương pháp cố định vi sinh vật

Kết tụ

Để cố định vi sinh vật bằng phương pháp kết tụ, các lực liên kết được tạo ra giữa các vi sinh vật để giữ chúng lại với nhau Để tăng cường các lực liên kết này, người ta sử dụng thêm glutaraldehit, toluen diisocyanat, hexamethylen diisocyanat,

Kết tụ vi sinh vật thường được dùng phối hợp với các phương pháp

cố định khác.

Lên men với vi sinh vật cố định

Sử dụng vi sinh vật cố định để tiến hành lên men theo các phương pháp sau:

•SD trong các TB lên men thông thường như thùng lên men có cơ cấu khuấy (a)

•Chất đầy vi sinh vật cố định trong một cột rồi cho dịch lên men chảy qua (b)

Phương pháp này thường áp dụng cho lên men liên tục

•Sử dụng trong các thiết bị tầng sôi : dịch lên men được bơm đưa vào thùng từdưới lên với tốc độ cao nên giá thể có chuyển động như chất lỏng sôi (c)

•Cho dịch lên men chảy qua các tấm đã cố định vi sinh vật (d) Phương pháp nàythường áp dụng cho lên men liên tục

51

-(A) Axial-flow fixed bed with plug flow (B) Axial-flow fixed bed with external conditioning vessel (C) Fixed bed with radial flow integrated in conditioning vessel, plug flow.

52

Tiêu đề	Công nghệ lên men 1
Tác giả	Stephen J. Hall, Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Pauline M. Doran, Hoàng Văn Quốc Chương, Celeste M. Todaro, Henry C. Vogel
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Đức Khuyến
Trường học	Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ sinh học
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	N/A
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	131
Dung lượng	29,41 MB