Báo cáo Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn

Tốc độ vận chuyển oxygen từ bọt khí đến pha chất lỏng có thể được môphỏng bằng phương trình cân bằng sau: dCL/dt = KLaC* - CL 9.1Trong đó: CL nồng độ oxygen hòa tan trong canh trường lên

MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ LÊN MEN THỰC PHẨM

BÀI BÁO CÁO

GVHD: T.s TRỊNH KHÁNH SƠN SVTH :

HẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

TP.HCM, ngày… tháng… năm……

Chữ ký của giảng viên

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm xin cảm ơn Khoa Công nghệ Hóa Học và Thực Phẩm đã mởmôn học Công nghệ lên men thực phẩm, để giúp chúng tôi tìm hiểu sâu hơn về quátrình sinh sản cũng như sự phát triển của vi sinh vật trong quy mô công nghiệp

Và kế tiếp là sự cảm ơn chân thành đến thầy Trịnh Khánh Sơn- người giảng dạymôn học Công nghệ lên men thực phẩm, thầy đã truyền đạt cho chúng tôi rất nhiềukiến thức không chỉ qua lý thuyết mà còn rất thực tế, những kinh nghiệm hữu ích

mà thầy mang lại cho chúng tôi là vô cùng quý giá, là hành trang cho chúng tôi saunày Cảm ơn vì sự nhiệt tình giải đáp mọi thắc mắc cho chúng tôi Thầy còn chochúng tôi những lời góp ý, những nhận xét chân thành, giúp chúng tôi càng hoànthiện hơn

Do kiến thức còn hạn hẹp, nên còn nhiều thiếu sót trong bài làm, rất mong thầy sẵnlòng góp ý, để các bài báo cáo lần sau được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

1.GIỚI THIỆU 6

2.NHU CẦU VỀ OXYGEN TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 6

3 CUNG CẤP OXYGEN 15

4 CÁCH XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ KLa 17

4.1 KỸ THUẬT TÁCH KHÍ 18

4.1.1 TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĨNH 19

4.1.2 KỸ THUẬT TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG 21

4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG OXYGEN 24

5 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIÁ TRỊ KLA TRONG BỒN LÊN MEN 27 5.1 ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ KHÔNG KHÍ LÊN KLA 27

5.1.1 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN CƠ HỌC 27

5.1.2 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN KHÔNG CƠ HỌC 30

5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ KHUẤY TRỘN ĐẾN KLA 32

5.2.1 MỐI QUAN HỆ GIỮA KLA VÀ ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ 33

5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG VÀ TÍNH LƯU BIẾN CỦA MÔI TRƯỜNG LÊN GIÁ TRỊ KLA 35

5.3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA SINH KHỐI VI SINH VẬT ĐẾN KLa 35

5.3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHỮNG SẢN PHẨM VI SINH VẬT TRONG THÔNG KHÍ 49

5.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỌT KHÍ VÀ NHỮNG CHẤT CHỐNG TẠO BỌT LÊN SỰ VẬN CHUYỂN OXYGEN 50

6 CÂN BẰNG GIỮA SỰ CUNG CẤP VÀ NHU CẦU OXY 51

6.1 ĐIỀU KHIỂN NỒNG ĐỘ SINH KHỐI (controlling biomassconcentration) 52

6.2 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TIÊU THỤ OXYGEN ĐẶC TRƯNG(specific oxygen uptake rate) 55

7 SCALE- UP AND SCALE- DOWN 56

7.1CHẾ ĐỘ THÔNG KHÍ/ KHUẤY TRỘN TRONG BỒN KHUẤYTRỘN CỦA SCALE-UP (Scale-up of aeration/agitation regimes instirred tank reactors) 577.2 CÁC BỒN PHẢN ỨNG AIR-LIFT TRONG SCALE-UP (The scale-

up of air-lift reactors) 61

7.3 PHƯƠNG PHÁP SCALE-DOWN (quy mô nhỏ) 61TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 63

1 GIỚI THIỆU

Phần lớn các quá trình lên men là lên men hiếu khí, do đó cần phải cung cấpoxygen Nếu hóa học lượng phác của sự hô hấp được xem xét, khi đó quá trìnhoxygen hóa glucose có thể được biểu diễn như sau:

C6H12O6+ 6O2 = 6H2O + 6CO2Như vậy, để oxy hóa hoàn toàn 180g glucose cần 192g oxygen Tuy nhiên, cả haithành phần này phải được hòa tan ở dạng dung dịch trước khi cho vi sinh vật vào,

mà như ta biết, khả năng hòa tan của oxygen trong nước ít hơn của glucose khoảng

6000 lần (môi trường lên men bão hòa khi chứa khoảng 7.6 mg/dm3 oxygen ở

300C) Như vậy, không thể cung cấp cho môi trường nuôi cấy vi sinh vật tất cảlượng oxygen cần thiết để oxi hóa hoàn toàn glucose (hay các nguồn carbon khác).Tuy nhiên, phải cung cấp đủ oxygen trong suốt giai đoạn sinh trưởng để thỏa mãnnhu cầu của chúng

Thông thường nhu cầu về oxygen của quá trình lên men công nghiệp đượcđáp ứng bằng cách thông khí và khuấy trộn dịch lên men Tuy nhiên, hiệu suất củaquá trình lên men sẽ giảm nếu oxygen dư thừa, vì vậy, việc xem xét các nhân tố gâyảnh hưởng đến năng suất của bình lên men để tạo tế bào vi sinh vật bằng oxygen làmột việc hết sức quan trọng Nhu cầu về oxygen trong quá trình lên men, số lượngoxygen chuyển hóa và các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển oxygen vàodung dịch sẽ được xem xét trong chương này

2 NHU CẦU VỀ OXYGEN TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP

Mặc dù việc xem xét các hóa học lượng phác của sự hô hấp đã cho ta thấy

rõ vấn đề về sự cung cấp oxygen, tuy nhiên nó không biểu thị đúng nhu cầu vềoxygen bởi vì nó không xem xét lượng carbon đã được chuyển hóa thành sinh khối

và sản phẩm

Một số nhà nghiên cứu đã xem xét toàn bộ hóa học lượng phác của sựchuyển hóa oxygen, nguồn carbon, nguồn nitrogen thành sinh khối và sử dụng cácmối quan hệ này để phỏng đoán nhu cầu về oxygen của quá trình lên men Một sốphương trình chọn lọc được thể hiện ở bảng 9.1.Từ những khẳng định này ta có thểthấy rằng nhu cầu về oxygen của một môi trường nuôi cấy phụ thuộc rất nhiều vàonguồn carbon có trong môi trường đó.Vì vậy, nguồn carbon càng giảm thì nhu cầu

về oxygen càng lớn Từ phương trình cân bằng của Darington và Johnson (bảng 9.1)

có thể thấy rằng để sản xuất ra 100g sinh khối, thì lượng oxygen cần thiết để oxihóa hoàn toàn hydrocarbon xấp xĩ 3 lần lượng oxygen cần để oxi hóa nguồncarbohydrate.Về mặt này cũng được minh họa trong bảng 9.2 Như ta đã biết, hàmlượng carbon trong cơ chất hydrocarbon cao sẽ đạt được hệ suất hiệu suất cao (gsinh khối trên gcơ chất được tiêu thụ), tuy nhiên, cần nhớ rằng việc lựa chọn nguồncarbon phải dựa trên sự cân bằng giữa lợi ích hiệu suất sinh khối cao với những bấtlợi khi nhu cầu oxygen cao và sự phát sinh nhiệt Các vấn đề này đã được thảo luận

kỹ hơn trong chương 4

Bảng 9.1: Phương trình hóa học lượng phác mô tả nhu cầu oxygen trong quá trình lên men.

Phương trình cân Giới hạn được sử dụng(terms used) Tác giả

6.67CH2O + 2.1O2 =

C3.92H6.5O1.94 + 2.75CO2 +

3.42H2O

C3.92H6.5O1.94 là 100g (khốilượng chất khô) tế bàonấm men; CH2O làcarbohydrate

cơ chất

B = lượng oxygen cầnthiết để đốt cháy 1g tế bào

Johnson (1964)

YP/G = g sodium pencillin

G được sản xuất trên gglucose

X = g tế bào (khối lượngchất khô) được sản xuất

P = g sodium penicillin Gđược sản xuất

Y = hiệu suất tế bào ( g tếbào trên g cơ chất)

M = khối lượng phân tửcủa nguồn carbon C, H và

O = số nguyên tử carbon,hydro, oxygen của mỗiphẩn tử nguồn carbon

0.41.21.7

Schulze and Lipe (1964)Goldberg et al (1976)Wodzinski and Johnson(1968)

Các phương trình của Darling, Johnson và Mateles chỉ kể đến việc tạo sinhkhối mà không xem xét đến sự hình thành sản phẩm, trong khi các phương trình cânbằng của Cooney và Righelato xem xét về sự hình thành sản phẩm Ryu vàHospodka (1980) đã sử dụng phương pháp của Righelato đã tính được rằng 1gpenicillin tiêu thụ 2,2g oxygen.

Tuy nhiên, không đủ cơ sở để khẳng định việc cung cấp oxygen cho mộtquá trình lên men chỉ đơn giản dựa trên ước lượng nhu cầu tổng thể, bởi vì quá trìnhtrao đổi vật chất của môi trường nuôi cấy bị ảnh hưởng bởi nồng độ oxygen hòa tantrong dịch nuôi cấy (the broth) Ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan đến đến tốc

độ hấp thu oxygen đặc trưng (mmoles của oxygen tiêu thụ/g khối lượng khô/h) đãđược chứng minh bằng phương pháp Michaelis-Menten, được mô tả ở hình 9.1

Hình 9.1 Ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan đến QO2 của vi sinh vật.

Từ hình 9.1 có thể thấy rằng tốc độ hấp thu oxygen đặc trưng tăng theonồng độ oxygen hòa tan và nó tăng theo đến một điểm nhất định nào đó (được gọi làCtới hạn ), trên nồng độ tới hạn thì tốc độ hấp thu oxygen hầu như không tăng thêmnữa Một số ví dụ về mức oxygen tới hạn của một loạt vi sinh vật được thể hiện

trong bảng 9.3 Như vậy, ta có thể sản xuất được lượng sinh khối tối đa bằng cáchthỏa mãn tối đa nhu cầu oxygen của sinh vật, bằng cách duy trì nồng độ oxygen hòatan đặc trưng lớn hơn mức tới hạn Nếu nồng độ oxygen hòa tan giảm xuống dướimức tới hạn khi đó sự trao đổi vật chất của các tế bào có thể bị rối loạn Tuy nhiên,đây thường là mục đích của các nhà công nghệ lên men để sản xuất ra sản phẩm của

vi sinh vật hơn là tế bào vi sinh vật và sự rối loạn trao đổi vật chất của tế bào dothiếu oxygen có thể có lợi cho việc hình thành nên các sản phẩm nhất định Đồngthời, nồng độ oxygen hòa tan được cung cấp lớn so với mức tới hạn có thể khôngảnh hưởng tới sự sản xuất sinh khối nhưng có thể kích thích hình thành sản phẩm

Do đó các điều kiện thông khí cần thiết cho mục đích sản xuất tối ưu sản phẩm cóthể khác so với mục đích thiên về sản xuất sinh khối

Bảng 9.3: Nồng độ oxygen hòa tan tới hạn của một số vi sinh vật( Riviere, 1977)

0.0180.0080.0040.022

Sự nghiên cứu sinh tổng hợp axit amin của Brevibacterium flavum của

Hirose và Shibai cung cấp một ví dụ tuyệt vời về sự ảnh hưởng của nồng độ oxygenhòa tan đến một loạt các sản phẩm trao đổi chất Các nhà nghiên cứu này đã chứng

minh được nồng độ oxygen hòa tan tới hạn đối với B flavum là 0.01 mg/dm3 vàxem xét mức độ oxygen cần cung cấp cho nuôi cấy gọi là mức độ “ thỏa mãnoxygen”(oxygen satisfaction), lượng oxygen cần cung cấp là tốc độ hô hấp của môitrường nuôi cấy, nó được diễn tả như một phần nhỏ của tốc độ hô hấp tối đa Nhưvậy, một giá trị “thỏa mãn oxygen” thấp có nghĩa là nồng độ oxygen hòa tan thấphơn mức tới hạn Mức độ thỏa mãn oxygen ảnh hưởng đến việc sản xuất một loạtcác amino acids thể hiện trong hình 9.2

Hình 9.2: ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan trong quá trình sản xuất acid amin từ Brevibacterium flavum (nghiên cứu của Hirose và Shibai, 1980).

Từ hình 9.2, ta có thể thấy rằng mức độ “thỏa mãn oxygen” thấp hơn 1.0gây ảnh hưởng bất lợi đến việc tạo thành glutamate và aspartate thuộc gốc aminoacid, trong khi đó, phenylalanine, valine và leucine ở mức độ thỏa mãn oxygen lầnlượt là 0.55, 0.6, 0.85 đạt năng suất tối ưu Con đường sinh tổng hợp các amino acidđược thể hiện ở hình 9.3, từ hình 9.3 có thể thấy rằng glutamin và aspartate đều làsản phẩm từ chu trình trung gian tricarboxylic acid (TCA), trong khi, phenylalanine,valine, và leucine là sản phẩm từ hợp chất trung gian glycolysis, pyruvate vàphosphoenol pyruvate Oxygen bị dư thừa sẽ phát sinh thêm nhiều chu trình trunggian TCA, trái lại, thiếu oxygen sẽ dẫn đến lượng glucose bị oxi hóa từ chu trìnhTCA sẽ ít hơn, các hợp chất trung gian cho phép nhiều hơn để dùng cho sự sinhtổng hợp phenylalanine, valine và leucine Do đó, quá trình trao đổi chất để sản sinh

ra các amino acid từ pyruvate bị gián đoạn nhiều hơn

Hình 9.3: Con đường sinh tổng hợp các amino acid phenylalanine, valine, leucine, lysine, threonine, l-leucine, glutamic acid, proline, glutamine và arginine của B.flavum.

Zhou cùng các cộng sự (1992) đã đưa ra một ví dụ về ảnh hưởng củaoxygen hòa tan lên sản phẩm trao đổi chất bậc hai từ việc tổng hợp cephalosporin C

bằng Cephalosporium acremonium Các nhà nghiên cứu này đã chứng minh rằng

nồng độ oxygen tới hạn cho sự sinh tổng hợp cephalosporin C trong suốt giai đoạnsản suất là 20% bão hòa Ở nồng độ oxygen hòa tan dưới 20% thì nồng độcephalosporin C bị suy giảm và penicillin N tăng lên Quá trình sinh tổng hợpcephalosporin C được thể hiện trong hình 9.4

Hình 9.4: Sự sinh tổng hợp cephalosporin C, cho biết các bước tiêu thụ oxygen như sau:

(i) Isopenicillin-N-synthase,

(ii) Deacetoxycephalosporin C synthase ( thường được gọi là expandase),

(iii) Deacetyl cephalosprin C synthase ( thường được gọi là hydroxylase).

Từ hình 9.4 có thể thấy rằng trong quá trình này có 3 bước tiêu thụ oxygen:

(i) Sự tạo vòng của tripeptide, α-amino-adipyl-cysteinyl-valine thành

isopenicillin N

(ii) Mở vòng penicillin N thành deacetoxycephalosporin C (DAOC)

(iii) Hydroxyl hóa DAOC tạo thành deacetylcephalosporin C

Ở nồng độ oxygen thấp DAOC không tích lũy được, và do đó xuất hiện giaiđoạn oxygen nhạy nhất, đó là bước enzyme mở vòng (expandase) dẫn đến kết quảpenicillin N được tích lũy dưới sự thiếu oxygen.

Nhiều quá trình lên men đòi hỏi nồng độ oxygen hòa tan cao, nhưng phải đảm bảorằng các quá trình lên men không vượt quá lượng oxygen được cung cấp từ bình lênmen do đó một số quy trình kỹ thuật đã phát triển Nhu cầu về oxygen của các quátrình lên men phụ thuộc lớn vào nồng độ sinh khối và hoạt động hô hấp của chúngliên quan đến tốc độ tăng trưởng Bằng cách hạn chế nồng độ ban đầu của môitrường, sinh khối trong bình có thể được giữ ở mức hợp lý và bằng cách cung cấpmột số chất dinh dưỡng như lượng thức ăn để sinh trưởng, từ đó có thể kiểm soátđược tốc độ hô hấp Các kỹ thuật về kiểu môi trường và bổ sung chất dinh dưỡngnày được thảo luận trong chương 2 và chương 4 và các chương sau

3 CUNG CẤP OXYGEN

Oxygen cung cấp cho nuôi cấy vi sinh vật thường ở dạng khí, đây là nguồnkhí có sẵn rẻ nhất Với các quy mô khác nhau, có những phương pháp cung cấpkhác nhau như là:

(i) Nuôi cấy trên quy mô phòng thí nghiệm có thể được thông khí bằng kỹ

thuật bình lắc (shake-flask) khi môi trường nuôi cấy (50 đến 100 cm3)sinh trưởng trong bình hình nón, (250 đến 500cm3) được lắc trên bệ điềukhiển trong buồng điều khiển môi trường

(ii) Quá trình lên men ở quy mô pilot và trên quy mô công nghiệp thường

được thực hiện bằng cánh khuấy đảo, bình thông khí gọi là bình lên men(fermenter), chúng được đề cặp trong chương 7 Tuy nhiên, để việc kiểmsoát, điều khiển, bổ sung chất dinh dưỡng cũng như việc lấy mẫu đượcthực hiện một cách thuận tiện và dễ dàng hơn thì bình khuấy đảo và bìnhthông khí nên có thể tích tương đối nhỏ (1 dm3) Một số bình lên menđược thiết kế sao cho phù hợp với sự vận chuyển oxygen mà không cầnkhuấy trộn Hệ thống thiết kế này được gọi là cột bọt khí và bình phảnứng air-lift cũng được thảo luận trong chương 7

Bartholomew cùng các cộng sự đã trình bày sự vận chuyển oxygen từkhông khí đến tế bào trong suốt quá trình lên men, gồm một số bước sau:

(i) Sự vận chuyển oxygen từ bọt khí vào dung dịch

(ii) Sự vận chuyển oxygen hòa tan qua môi trường nuôi cấy đến tế bào vi

sinh vật

(iii) Sự tiêu thụ oxygen hòa tan của tế bào

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh được bước hạn chế trong vận chuyểnoxygen từ không khí đến tế bào trong quá trình lên men Streptomyces griseus làchuyển oxygen vào trong dung dịch Những phát hiện này đã được chứng minh làhoàn toàn chính xác cho quá trình lên men không có tính nhớt nhưng cũng chứngminh được rằng trong quá trình lên men có tính nhớt cao nhất định, sự vận chuyển

bị hạn chế bởi một trong 2 giai đoạn Những khó khăn vốn có trong nhiều quá trìnhlên men được thảo luận sau trong chương này

Tốc độ vận chuyển oxygen từ bọt khí đến pha chất lỏng có thể được môphỏng bằng phương trình cân bằng sau:

dCL/dt = KLa(C* - CL) (9.1)Trong đó: CL nồng độ oxygen hòa tan trong canh trường lên men (mmoles dm-3),

t là thời gian (giờ),dCL/dt là nồng độ oxygen thay đổi trong một khoảng thời gian, tức làtốc độ vận chuyển oxygen (mmoles O2 dm-3h-1),

KL là hệ số truyền khối (cm /h),

a là diện tích bề mặt ranh giới giữa chất khí và chất lỏng trên một đơn

vị thể tích chất lỏng (cm2/cm3),

C* nồng độ oxygen bão hòa (mmoles dm-3)

KL có thể được xem như là tổng nghịch đảo các lực cản (resistance) đểchuyển hóa oxygen dưới dạng khí thành lỏng và (C* - CL) có thể được xem như là ‘

lực truyền động’ qua các lực cản Xác định KL và ‘a’ trong quá trình lên men thì vôcùng khó khăn, do đó, cả 2 số hạng này thường được kết hợp với nhau thành một sốhạng KLa, hệ số truyền khối theo theo thể tích có đơn vị là nghịch đảo của thời gian(h-1) Hệ số truyền khối theo thể tích được sử dụng như là đơn vị đo công suất thôngkhí của bình lên men KLa càng lớn thì công suất thông khí của hệ thống càng cao.Giá trị KLa sẽ phụ thuộc vào kiểu và các điều kiện vận hành của bình lên men đồngthời nó cũng bị ảnh hưởng bởi sự biến thiên của tốc độ thông khí, tốc độ khuấy trôn,thiết kế của cánh khuấy Các biến số này ảnh hưởng đến KL do sự giảm lực cản đểchuyển hóa và ảnh hưởng đến “a” do sự thay đổi số lượng, kích thước và thời gian

ổn định của bọt không khí Rất thuận tiện để sử dụng KLa như một thước đo hiệusuất quá trình lên men vì không giống như tốc độ vận chuyển oxygen, nó không bịảnh hưởng bởi nồng độ oxygen hòa tan Tuy nhiên, tốc độ vận chuyển oxygen làtiêu chuẩn giớn hạn trong một quá trình lên men và, từ phương trình cân bằng 9.1,

có thể thấy sự ảnh hưởng của cả KLa và nồng độ oxygen hòa tan Nồng độ oxygenhòa tan phản ánh sự cân bằng giữa oxygen hòa tan của bình lên men và nhu cầuoxygen của sinh vật Nếu KLa của bình lên men và nhu cầu oxygen của sinh vậtkhông thể giao nhau thì nồng độ oxygen hòa tan sẽ giảm xuống thấp hơn mức tớihạn (Ccrit) Nếu KLa và nhu cầu oxygen của sinh vật có thể giao nhau một cách dễdàng thì nồng độ oxygen hòa tan sẽ lớn hơn Ccrit và có thể lên đến 70-80% mức bãohòa Do đó, KLa của bình lên men phải được điều chỉnh sao cho nồng độ oxygen đạttối ưu để sự hình thành sản phẩm có thể được duy trì trong dung dịch trong suốt quátrình lên men

Việc xác định giá trị KLa của bồn lên men là cần thiết để thiết lập hiệu quảthông khí của thiết bị và xác định những ảnh hưởng của biến số vận hành đến việccung cấp oxygen Phần này xem xét những ưu nhược điểm của các phương phápđược sử dụng để xác định giá trị KLa Điều quan trọng phải nhớ rằng trong giai đoạnnày oxygen hòa tan thường được giám sát bằng điện cực oxygen hòa tan (xemchương 8), nó ghi lại hoạt độ oxygen hòa tan hoặc hàm lượng (tension) oxygen hòatan (DOT), trong khi đó những phương trình mô tả quá trình vận chuyển oxygen

dựa trên nồng độ oxygen hòa tan Khả năng hòa tan của oxygen bị ảnh hưởng bởicác chất tan để nước tinh khiết và môi trường lên men bão hòa với oxygen sẽ cónồng độ oxygen hòa tan khác nhau nhưng DOT phải giống nhau, nghĩa là điện cựcoxygen sẽ ghi lại 100% cho cả hai Do đó để chuyển DOT sang nồng độ, khả nănghòa tan của oxygen trong môi trường lên men phải được xác định và điều này hiệngiờ có thể khó khăn.

4.1 Kỹ thuật tách khí

Việc xác định giá trị KLa của hệ thống len men bằng kỹ thuật tách khí phụthuộc vào việc kiểm soát sự tăng lên của nồng độ oxygen hòa tan tronng dung dịchtrong suốt quá trình thông khí và khuấy trộn Tốc độ vận chuyển oxygen sẽ giảmtrong suốt thời gian thông khí, khi CL đạt tới C* dẫn đến lực truyền động giảm (C* -CL) Tốc độ vận chuyển oxygen tại một thời điểm bất kỳ sẽ bằng độ dốc của đườngtiếp tuyến với đường cong của giá trị nồng độ oxygen hòa tan theo thời gian thôngkhí, được thể hiện trong hình 9.5

Hình 9.5: Tăng nồng độ oxygen hòa tan của dung dịch trong giai đoạn thông khí.

Tốc độ oxygen hòa tan tại thời gian X bằng với độ dốc của đường tiếp tuyến tại Y.

Để kiểm soát sự gia tăng của oxygen hòa tan trên phạm vi thích hợp, điều cần thiếtđầu tiên để giảm giá trị oxygen Để hạ thấp nồng độ oxygen hòa tan hai phươngpháp đã được sử dụng là: phương pháp tĩnh và phương pháp động.

4.1.1 TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĨNH

Kỹ thuật này đầu tiên được mô tả bởi Wise (1951), nồng độ oxygen trongdung dịch được hạ xuống do nó thoát ra khỏi chất lỏng cùng với khí nitrogen, vì thếdung dich được gọi là”scrubbed” không có oxygen Chất lỏng được khử oxygen saukhi được thông khí và khuấy trộn, lượng oxygen hòa tan tăng lên sẽ được kiểm soátbằng việc sử dụng đầu dò oxygen hòa tan Sự gia tăng nồng độ oxygen hòa tan đãđược mô tả bằng phương trình (9.1), cụ thể:

sử dụng môi trường lên men có hay không có sinh khối bị chết bắt buộc dùng kiểuđiện cực có màng, thời gian phản ứng của nó có thể không phù hợp để phản ánh sựthay đổi thực sự của tốc độ oxygen hóa trong một thời gian ngắn Thời gian phảnứng của đầu dò (Tp) được xác định là thời gian cần để ghi lại 63% từng bước thayđổi và nó nên nhỏ hơn thời gian phản ứng chuyển hóa sinh khối của hệ thống (1/KLa) Theo Van’t Riet (1979), sử dụng điện cực có tính thương mại hóa ,với thờigian phản ứng từ 2 đến 3 giây, giá trị KLa có thể lên tới 360h-1, được đo với độchính xác tương đối thấp Tuy nhiên, để ước lượng giá trị KLa chính xác hơn cầnphải kết hợp chặt chẽ các nhân tố hiệu chỉnh vào quá trình tính toán, như thảo luận

của Taguchi and Humphrey (1960), Heineken(1970,1971) và Wernau ,Wilke(1973) Khả năng hòa tan của oxygen trong dung dịch không cần quan tâm vì cácgiá trị DOT có thể được sử dụng trực tiếp để tính toán các tốc độ, cụ thể C* đượcchọn100%.

Hình 9.6: Đồ thị của ln( C* - CL) theo thời gian của quá trình thông khí, đường dốc

là KLa.

Phương pháp này được chấp nhận cho bình lên men ở quy mô nhỏ, bình lênmên quy mô lớn do thời gian lưu lại của khí lớn nên phương pháp này có những hạnchế khắc khe Sau khi khử oxygen cùng với nitrogen, khí sẽ được nạp vào bình,nồng độ oxygen trong pha khí có thể thay đổi theo thời gian vì nitrogen bị thay thếbằng khí Như vậy C* sẽ không còn là hằng số Mặc dù các nhân tố hiệu chỉnh được

sử dụng để bù lại cho hiện tượng này, Van’t Riet and Tramper (1991) đã kết luậnrằng phương pháp này không nên sử dụng cho bồn lên men có chiều cao hơn mộtmét

4.1.2 KỸ THUẬT TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG

Tagachi và Humphrey (1996) sử dụng hoạt động hô hấp ở giai đoạn tăngtrưởng của quá trình nuôi cấy trong bồn lên men để hạ thấp mức oxygen trước khithông khí Do đó, việc dự đoán lợi ích trong suốt quá trình lên men đã mang lạinhững đánh giá thực tế hơn về hiệu quả của bồn lên men Bởi vì bản chất phức tạpcủa môi trường lên men, nên đầu dò được sử dụng để kiểm soát sự thay đổi nồng độoxygen hòa tan là loại phải có màng phủ kín và đòi hỏi sử dụng các nhân tố hiệuchỉnh phản ứng dựa vào yếu tố cho trước Phương pháp bao gồm việc ngừng cungcấp không khí cho quá trình lên men, làm cho nồng độ oxygen hòa tan giảm tuyếntính nguyên nhân là hô hấp trong quá trình nuôi cấy như biểu đồ 9.7

Hình 9.7: Tách bằng phương pháp động học để xác định giá trị KLa Quá trình thông khí kết thúc tại điểm A, và bắt đầu lại ở điểm B.

Độ dốc của đường thẳng AB trong biểu đồ 9.7 là đơn vị đo tốc độ hô hấptrong quá trình nuôi cấy Tại điểm B, bắt đầu sục khí trở lại và nồng độ oxygen hòatan tăng tới khi đạt đến nồng độ X Trong giai đoạn này, đường BC, quan sát sự giatăng nồng độ oxygen hòa tan, ta thấy rằng có sự khác nhau giữa vận chuyển oxygen

vào dung dịch và tiêu thụ oxygen bằng hô hấp khi nuôi cấy được biểu diễn bằngphương trình sau:

dCL/dt =KLa(C* - CL) -xQO2 (9.4)trong đó : x là nồng độ sinh khối

QO2 tốc độ hô hấp đặc trưng (mmole của oxygen/g sinh khối/giờ)

Giá trị xQO2 được thể hiện bởi độ dốc đường AB trong biểu đồ 9.7 Phương trình 9.4được sắp xếp lại như sau:

CL = -1/KLa {(dCL/dt) + xQo2 } + C* (9.5)

Như vậy, từ phương trình (9.5), biểu đồ CL theo dCL +xQo2 sẽ là đường thẳng , độdốc của nó sẽ bằng -1/KLa, nó được thể hiện như trong hình 9.8 Trong kỹ thuật, sửdụng DOT trong các phương trình sẽ thuận tiện hơn là nồng độ bởi vì tốc độ vậnchuyển và tiêu thụ đang được kiểm soát để mà việc đọc phần trăm bão hòa có thểđược sử dụng trực tiếp bởi điện cực

Hình 9.8: Xác định giá trị KLa bằng phương pháp động học Những thông tin được gom nhặt từ hình 9.7 bằng việc lấy tiếp tuyến của đường cong BC, tại các giá trị khác nhau của CL

Tách khí bằng phương pháp động có ưu điểm hơn phương pháp xác định KLa trongquá trình lên men thực trước đó và có thể sử dụng để xác định giá trị KLa tại các giaiđoạn khác nhau trong quy trình Kỹ thuật này cũng nhanh và chỉ yêu cầu sử dụngđầu dò oxygen hòa tan, loại có màng Một hạn chế chủ yếu trong quá trình vận hànhcủa kỹ thuật này là nằm ngoài vùng mà sự gia tăng nồng độ oxygen hòa tan có thểđược đo Điều quan trọng là không để cho nồng độ oxygen giảm xuống dưới nồng

độ tới hạn trong suốt giai đoạn khử oxygen bởi vì như thế tốc độ hấp thụ oxygenđặc trưng sẽ bị giới hạn và giá trị xQo2 sẽ không ổn định trong quá trình thông khítrở lại Tình trạng thiếu hụt oxygen xảy ra trong suốt quá trình khử oxygen có thểđược xác định dựa vào sự chênh lệch nồng độ oxygen bị hạ thấp từ mối quan hệtuyến tính với thời gian, thể hiện trong biểu đồ 9.9

Hình 9.9: Những giới hạn của oxygen xảy ra trong suốt quá trình tách khí bằng phương pháp động của một quá trình lên men.

Khi nhu cầu oxygen của quá trình nuôi cấy lên rất cao, việc duy trì đáng kểnồng độ oxygen hòa tan trên nồng độ tới hạn (Ccrit) để giới hạn đo lường dùng xácđịnh giá trị KLa sẽ rất nhỏ có thể khó khăn trong suốt quá trình lên men Như vậy,việc ứng dụng phương pháp này trong suốt quá trình len men là hết sức khó khăn đểnhu cầu oxygen gần với dung tích chứa của bồn lên men.

Mặc dù quá trình khử khí nitrogen không gây ra những khó khăn trongphương pháp động này nhưng cũng không thích hợp khi sử dụng với bồn lên men

có chiều cao hơn môt mét Van,t Riet và Tramper (1991) chỉ ra rằng thời gian thựchiện đối với những bình như thế, để thiết lập trạng thái cân bằng mật độ bọt khí sẽrất lớn và bề mặt tiếp xúc giữa khí và lỏng sẽ thay đổi hơn trong thời gian thông khídẫn đến xác định giá trị KLa thấp dưới điều kiên vận hành bình thường Cả haiphương pháp động và tĩnh không thích hợp để xác định giá trị KLa trong hệ thốngnhớt Nguyên nhân là do bọt khí được hình thành rất nhỏ trong hệ thống nhớt( đường kính < 1mm), do đó thời gian chúng tồn tại trong dịch nuôi cấy sẽ dài hơn

so với những bọt khí có kích thước bình thường Như vậy, phương pháp tách khí chỉhữu ích trên quy mô nhỏ với hệ thống không nhớt

4.2 Phương pháp cân bằng oxygen

Giá trị KLa của bồn lên men có thể được xác định trực tiếp trong suốt quátrình lên men bằng kỹ thuật cân bằng oxygen, lượng oxygen vận chuyển vào dungdịch trong khoảng thời gian nhất định Phương pháp bao gồm việc đo các thông sốsau:

(i)Thể tích dịch môi trường chứa trong bình,VL(dm3)

(ii) Tốc độ dòng khí theo thể tích được đo tại đầu khí vào và đầu khí ra,tương ứng

Qi và Qo (dm3min-1)

(iii) áp suất tổng được đo tại đầu ra và vào của thùng lên men, tương ứng Pi và Po(atm,tuyệt đối)

(iv) Nhiệt độ không khí tại đầu ra và đầu vào của thiết bị,tương ứng với Ti và To

(v) Phần mol của oxygen được đo tại đầu ra và vào của thiết bị, tương ứng yi và yo

Tốc độ vận chuyển oxygen sau đó được xác định từ phương trình sau (Wang vàcộng sự, 1979):

ORT = (7.32× 105/VL )(QiPiyi/Ti – QoPoyo/To) (9.6)Trong đó 7.32 × 105 là hệ số biến đổi cân bằng (60 min h-1 )[mole/22.4dm3(SPT)]

(273K/1atm)

Các phép đo lường này yêu cầu những đồng hồ đo lưu lượng, máy đo ápsuất, thiết bị cảm biến nhiệt độ cũng như máy phân tích khí oxygen phải chính xác(xem chương 8) Máy phân tích khí oxygen lý tưởng là máy phân tích quang phổ kế,thiết bị này đủ chính xác để phát hiện những thay đổi từ 1 đến 2%

Giá trị KLa có thể được xác định, khi biết CL và C, từ phương trình (9.1):

ORT =KLa (C* -CL) hoặc KLa =ORT/(C*-CL)Giá trị CL có thể được xác định bằng cách dùng điện cực oxygen hòa tankiểu có màng và trong trường hợp này thời gian phản ứng ngắn không là nhân tốquan trọng bởi vì tốc độ thay đổi không được đo, đơn giản là vì nồng độ oxygen ởtrạng thái ổn định Tuy nhiên , cần nhớ rằng điện cực này chỉ đo được áp lựcoxygen tại một điểm Do đó nên xác định hàm lượng oxygen tại nhiều điểm trongbồn lên men với nhiều điện cực và sử dụng giá trị trung bình của chúng Cũng nhưhàm lượng oxygen hòa tan (DOT) ghi được phải chuyển đổi sang nồng độ, cần phảibiết được khả năng hòa tan của oxygen trong môi trường lên men Giá trị của C*thường được xem như là giá trị ở trạng thái cân bằng với nồng độ oxygen tại vị tríkhí ra Wang và cộng sự (1979) cho rằng phương pháp này thích hợp cho thiết bịlên men ở quy mô nhỏ, trên quy mô lớn có sự khác nhau rất lớn giữa nồng độoxygen hòa tan ở trạng thái cân bằng với khí đầu vào và đầu ra Do đó, các nhà

nghiên cứu này đã đề nghị rằng chế độ khí đi qua bồn lên men phải xấp xỉ điều kiệnlưu lượng plug và nồng độ oxygen hòa tan nên dùng giá trị logarit trung bình.

Phương pháp cân bằng oxygen dường như là phương pháp đơn giản nhất đểước lượng giá trị KLa và có ưu điểm là đo được khả năng thông khí trong quá trìnhlên men Phương pháp oxi hóa sulphite và tách khí bằng phương pháp tĩnh khôngmang lại thuận lợi khi dùng cho dung dịch muối và, môi trường chưa cấy chủng và

vô trùng Mặc dù Banks (1977) cho thấy phương pháp này chỉ thích hợp để so sánhgiữa các thiết bị và thông số vận hành, không nên cho rằng những giá trị thu được làthông số vận hành thực sự trong suốt quá trình lên men Đây có thể là trường hợplên men của vi khuẩn hoặc nấm men, trong đó, tính lưu biến của huyền phù tế bàotrong canh trường giống với môi trường vô trùng hoặc môi trường muối, nhưng có

thể chắc chắn rằng nó không chính xác cho quy trình nấm và Streptomycete vì tính

lưu biến khá khác nhau

Tuffile và Pinho (1970) so sánh một số phương pháp để xác định giá trị KLa

trong môi trường lên men nhớt của Steptomycete Phương pháp được sử dụng là

tách khí bằng phương pháp tĩnh, bằng phương pháp động và cân bằng oxygen.Tuffile và Pinho đã không làm rõ rằng nấm sợi không hô hấp nhưng vẫn tồn tạitrong suốt kỹ thuật tách khí tĩnh, nhưng từ kết quả của họ cũng có thể thấy rằngchúng tồn tại trong bồn lên men Như vậy tính lưu biến bên trong của bồn lên men

là giống nhau khi sử dụng những cách xác định khác nhau Giá trị KLa được xácđịnh bằng các phương pháp khác nhau, bồn lên men có thể tích 300 dm3 nuôi cấy

trong 90 giờ cho Streptomyces aureofaciens được thể hiện trong bảng 9.4.

Bảng 9.4: Giá trị KLa của bồn lên men có thể tích 300 dm 3 , nuôi cấy trong 90 giờ của S aureofaciens

Phương pháp xác định

KLa

Tốc độ hấp thụ oxygen đođược

(m moles dm-3 h-1)

KLa(h-1)

Từ bảng 9.4 chúng ta có thể thấy rằng giá trị KLa từ hai phương pháp táchkhí là như nhau nhưng có sự khác biệt đáng kể giữa tốc độ hấp thụ oxygen và gái trịKLa của phương pháp tách khí động và phương pháp cân bằng Tuffile và Pinho(1970) cho rằng khi sử dụng phương pháp động thì tốc độ hấp thụ oxygen thấp hơnnguyên nhân là do bọt khí còn sót lại trong trong dịch huyền phù trong suốt thờigian tách Như vậy, sự suy giảm nồng độ oxygen sau khi ngừng thông khí khôngphải là thước đo tốc độ hấp thu oxygen nhưng sự khác nhau giữa hấp thụ oxygen vàvận chuyển oxygen từ bọt khí còn sót lại Một phần lớn bọt khí duy trì ở dạng huyềnphù trong khoảng 15 phút sau khi quá trình thông khí kết thúc.Việc sử dụng tốc độhấp thụ oxygen thấp trong tính toán giá trị KLa dẫn đến KLa thấp có thể không chínhxác Heijnen và cộng sự cũng quan sát thấy những bất thường trong xác định giá trịKLa trong hệ thống nhớt do sự có mặt của rất nhiều bọt khí nhỏ, thời gian lưu giữcủa chúng lâu hơn so với các bọt khí lớn trong bồn lên men

Một cách tổng quát,có thể thấy rằng phương pháp cân bằng là phương pháp

ưa chuộng nhất được dùng và chi phí của thiết bị giám sát nên là một đầu tư chínhđáng

Trước khi xem xét các nhân tố có thể ảnh hưởng đến giá trị KLa của bồn lên mencần phải để xem xét tính lưu biến của chất lỏng trong hệ thống khuấy trộn

BỒN LÊN MEN

Một vài nhân tố đã được chứng minh ảnh hưởng đến hệ số KLa trong bồnlên men Những nhân tố này bao gồm tốc độ dòng khí đã sử dụng, mức độ khuấytrộn, tính chất lưu biến của canh trường nuôi cấy, sự hiện diện của các tác nhânchống tạo bọt Nếu quy mô vận hành của 1 quá trình lên men được tăng lên (đượcgọi là scale-up), điều quan trọng là giá trị KLa tối ưu được xác định trên quy mônhỏ, vẫn chưa được sử dụng và đo lường trên quy mô lớn hơn Có thể giữ nguyên

hệ số KLa trong những bồn có kích thước khác nhau bằng cách điều chỉnh các điềukiện vận hành trên quy mô lớn và đo giá trị KLa đạt được Tuy nhiên, việc xác địnhmối tương quan giữa các biến số vận hành và KLa có thể dự đoán được những điều

kiện cần thiết để đạt được giá trị KLa thích hợp Do đó, những mối tương quan này

có ý nghĩa to lớn trong mở rộng quy mô lên men và thiết kế hệ thống lên men

5.1.1 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN CƠ HỌCẢnh hưởng của tốc độ dòng khí lên giá trị KLa trong những hệ thống khuấytrộn thông thường được minh hoạ trong hình 9.12 Việc xác định mối quan hệ giữaviệc thông khí và KLa cho bồn khuấy trộn được xem xét ở phần tiếp theo thông qualượng điện năng tiêu thụ Tốc độ dòng khí thường nằm trong khoảng 0,5 - 1,5 thểtích không khí trên thể tích của môi trường trên phút và nó có xu hướng được duytrì cố định trong quy mô lớn Cánh khuấy vẫn không thể phân tán khí đến đượcnhững nơi có lượng oxygen cực kì thấp, nguyên nhân là do cánh khuấy bị “flooded”

Hình 9.12:Những ảnh hưởng của tốc độ dòng khí lên giá trị KLa của bồn thông khí, khuấy trộn.

Flooding là 1 hiện tượng khi mà tốc độ dòng khí vượt trội mô hình dòngchảy và là do kết hợp giữa tốc độ dòng không khí và tốc độ khuấy trộn không phùhợp (xem thêm chương 7) Nienow và các cộng sự đã phân loại các mô hình dòngchảy khác nhau được tạo ra từ 1 turbin đĩa kèm theo 1 loạt các điều kiện thông khí

và khuấy trộn (Hình 9.13) và chúng đã được tìm hiểu khá sâu bởi Van’t Riet

Tramper (1991) Hình 9.13A biểu diễn mặt cắt dòng chảy của bồn lên men khôngthông khí và 9.13 từ B đến F là mặt cắt khi tăng dần tốc độ dòng khí Vì tốc độ dòngkhí tăng dần dẫn đến tốc độ dòng chảy thay đổi khi khuấy trộn (Hình 9.13 B) tớiviệc thay thế dần bằng tốc độ dòng khí (Hình 9.13D đến F) và đến cuối cùng tốc độdòng khí thoát ra mà không cần hỗ trợ của máy khuấy trộn Những nhà khoa họckhác nhau đã có những tiêu chí khác nhau để xác định sự bắt đầu của chế độflooding Nienow và các cộng sự cho rằng nó được thể hiện ở hình 9.13D, trong khi

đó Biesecker (1972) cho là hình 9.13F Dù thế nào thì mô hình mong muốn cũngđược biểu diễn ở hình 9.13 C

Hình 9.13: Những ảnh hưởng của tốc độ dòng không khí lên mô hình dòng chảy trong bồn khuấy trộn.

máy khuấy trộn trong buồng trên của bồn lớn thì không liên quan đến sự phân tánkhí.

(iii) Feijen và các cộng sự (1987) đã cho rằng flooding có thể tránh nếu

Fs / ND3 < 0.3 N2D/g ( 9.12 )Trong đó Fs là tốc độ dòng khí theo thể tích tại điều kiện áp suất của máy khuấydưới (m3 /s)

Hình 9.14: Biểu đồ thể hiện chế độ dòng chảy không đồng nhất trong cột bọt khí.

Flooding trong những cột bọt khí là hiện tượng mà dòng khí thổi môitrường tràn ra khỏi bình lên men Nó đòi hỏi vận tốc bề mặt khí phải đạt gần đến1m/s nhưng điều này không thể đạt được trong quy mô thương mại.( Van’t Riet andTramber, 1991)

Hệ số truyền khối theo thể tích (KLa) trong 1 cột bọt khí chủ yếu phụ thuộcvào vận tốc khí bề mặt Heijnen và Van’t Riet (1984) đã cùng nhau nghiên cứu vềvấn đề này và chứng minh các mối tương quan toán học giữa KLa và vận tốc khí bềmặt phụ thuộc vào sự kết hợp các thuộc tính của môi trường, các loại dòng chảy vàkích thước bọt khí Thật không may, các đặc điểm này hiếm khi được biết đến trongquy mô công nghiệp, nơi mà ứng dụng những phương trình toán học phức tạp Tuynhiên, Van’t Riet and Tramber, (1991) đã công bố mối tương quan này bắt nguồn từnhững bọt khí không coalesting, không nhớt, kích thước bọt khí lớn (đường kính6mm), điều này đã giúp cho việc ước tính khá chính xác cho các vùng không nhớt:

KLa = 0.32 ( Vsc)0.7 (9.13)Trong đó ( Vsc) là vận tốc khí bề mặt ở điều kiện áp suất thường

Tuy nhiên, độ nhớt có ảnh hưởng rất lớn đến KLa trong một cột khí Deckwer và cáccộng sự đã biểu diễn như sau:

KLa =cπ-0.84(9.14 )

Trong đó π là độ nhớt động học chất lỏng ( N.s.m-2 )

Ý nghĩa thực tiễn của phương trình này là không thể sử dụng cột bọt khí vớichất lỏng có độ nhớt cao Van’t Riet va Tramper ( 1991 ) đã đưa ra giới hạn caonhất của độ nhớt đối với một cột khí là 100x10-3 N.S.m-2 ngay tại điểm này KLa sẽgiảm 50 lần so với 1 mẻ khi phản ứng với nước

b Bình phản ứng air-lift

Cấu trúc của 1 bình phản ứng air-lift đã được thảo luận ở chương 7 Sựkhác nhau giữa cột bọt khí và bình phản ứng air-lift là chất lỏng có thể lưu thôngđược trong bình phản ứng air-lift Những bình phản ứng này bao gồm 1 vòng lặptheo chiều dọc của hai ngăn được kết nối giữa riser và downcomer Không khí vào

ở dưới đáy của riser và ra ở phần đỉnh Chất lỏng sẽ nặng hơn hơi nước trong riser

và sẽ chảy xuống downcomer Do đó, mô hình tuần hoàn đã được thiết lập trongbình lên men: hơi nước sẽ đi lên phía trên riser và chất lỏng sẽ chảy xuốngdowcomer

Đối với một bình phản ứng air-lift cho trước và môi trường KLa thay đổituyến tính với tốc độ khí bề mặt theo 1 hàm log, quy mô log-log này lớn hơn phạm

vi bình thường của vận tốc Tuy nhiên, chúng ta biết được rằng sự thông khí khithổi khí sẽ tạo nên các bọt khí, chúng sẽ tiếp xúc với chất lỏng trong 1 thời gianngắn hơn so với cột bọt khí tương ứng Do đó KLa trong bình phản ứng air-lift sẽnhỏ hơn trong cột bọt khí với cùng một vận tốc khí bề mặt, tức là nhỏ hơn 0.32( Vsc)0.7 Ưu điểm của bình phản ứng air-lift nằm ở chỗ là nó có thể tuần hoàn được,nhưng nó chỉ có giá trị khi KLa thấp hơn

Một cột bọt khí sẽ không xảy ra flooding khi vận tốc khí bề mặt vận hànhbình thường và đây không nên là vấn đề trong quy mô lớn