BÀI TIỂU LUẬN VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP

KHÁI QUÁT CHUNG Ngày nay, khái niệm sinh khối vi sinh vật hay các sản phẩm của quá trình lên men đã khá quen thuộc với nhiều người.Công nghệ thu sinh khối vi sinh vật là các quá trình nu

ĐAỊ HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA SINH HỌC

BÀI TIỂU LUẬN

VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP

Đề bài: So sánh 3 hệ thống lên men

Ưu nhược điểm của từng hệ thống

Lấy VD ứng dụng của 1 trong 3 hệ thống trên

Họ và tên: Nguyễn Thị Hồng Nhung

Ngày sinh: 04/08/1989 Lớp: K52b- Công nghệ sinh học

Hà Nội 2009

CÁC HỆ THỐNG NUÔI CẤY VI SINH VẬT

I KHÁI QUÁT CHUNG

Ngày nay, khái niệm sinh khối vi sinh vật hay các sản phẩm của quá trình lên men đã khá quen thuộc với nhiều người.Công nghệ thu sinh khối vi sinh vật là các quá trình nuôi cấy các chủng thuần khiết hoặc hỗn hợp vài chủng để thu được khối lượng tế bào sau khi sinh trưởng với các mục đích

sử dụng sản phẩm thu được trong công nghiệp thực phẩm, y tế, công nghiệp, nông nghiệp và môi trường

Sinh trưởng của vi sinh vật có thể tạo ra sự trao đổi chất, nhưng để sản xuất một chất trao đổi như mong muốn thì cơ thể của chúng phải được sinh trưởng dưới những điều kiện nuôi cấy đặc biệt với một tốc độ sinh trưởng đặc trưng Vi sinh vật phải trải qua một quá trình nuôi cấy trong các hệ thống nuôi cấy vi sinh được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng, oxi và các điều kiện cần thiết khác phục vụ cho quá trình sinh trưởng

Tùy vào mục đích sử dụng, cách thức thu sản phẩm mà người ta nuôi cấy vi sinh vật trong các hệ thống khác nhau Có 3 hệ thống nuôi cấy vi sinh quy mô công nghiệp chính thường được sử dụng đó là:

- Nuôi cấy theo mẻ (bath culture )

- Nuôi cấy liên tục (continuous culture – chemostat )

- Nuôi cấy bán liên tục (fed- bath)

Sau đây chúng ta hãy cùng tìm hiểu những đặc điểm khác nahu cơ bản của 3 hệ thống lên men trên

II BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG

1 Nếu vi sinh vật chỉ được đưa một lần vào môi trường sinh trưởng, thì nuôi cấy ban đầu sẽ trải qua một số giai đoạn và hệ thống này được gọi là nuôi cấy mẻ Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật được chia làm 4 giai đoạn chính (4 pha chính) là

- Pha tiềm phát (pha lag)

- Pha sinh trưởng theo hàm số mũ(pha log)

- Pha cân bằng động

- Pha suy vong

Pha lag được xem như pha thích nghi của vi sinh vật Đây là quá trình

vi sinh vật tích lũy các chất dinh dưỡng từ môi trường bên ngoài để phục vụ cho sinh trưởng

Pha log là khoảng thời gian mà ở đó tốc độ sinh trưởng của tế bào tăng dần, các tế bào sinh trưởng với một tốc độ cực đại và không đổi, thời kỳ này được xem là pha sinh trưởng theo hàm mũ

Pha cân bằng xảy ra khi chất dinh dưỡng bị hao hụt và các sản phẩm độc được tích lũy, tốc độ sinh trưởng của tế bào sẽ không đạt cực đại và cuối cùng làm ngừng quá trình sinh trưởng, lúc này nuôi cấy đi vào pha tĩnh

Pha suy vong xảy ra khi các điều kiện bên ngoài môi trường không còn đáp ứng được cho nhu cầu tồn tại của sinh vật, chất độc tích tụ nhiều và

tế bào rơi vào trạng thái suy vong

2 Trong hệ thống nuôi cấy liên tục, chất dinh dưỡng thường xuyên được đưa vào với lượng cần thiết cho sinh trưởng Khi môi trường mới được

bổ sung liên tục ở một tốc độ thích hợp, thì sinh trưởng của tế bào trong hệ này được điều chỉnh bằng sự sinh trưởng giới hạn và thành phần của môi trường Hệ thống này cho phép đạt tới trạng thái ổn định và việc hao hụt sinh khối tế bào qua dòng chảy ra sẽ được bù đắp bởi sự sinh trưởng tế bào trong bình nuôi Như vậy, chemostat là hệ thống nuôi cấy tự cân bằng được giới hạn chất dinh dưỡng, có thể duy trì trạng thái ổn định trong một phạm vi rộng của các tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng

3.Nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng (fed-batch culture) được xem

là hệ thống trung gian giữa quá trình nuôi cấy mẻ và nuôi cấy liên tục Thuật ngữ nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng được dùng để mô tả các nuôi cấy

mẻ được cung cấp dinh dưỡng liên tục (hoặc nối tiếp nhau) bằng môi trường mới mà không loại bỏ dịch nuôi cấy cũ Như vậy, thể tích của loại nuôi cấy này tăng lên theo thời gian

III MỘT SỐ ĐIỂM KHÁC NHAU CƠ BẢN

Dòng chảy môi trường qua hệ thống điều chỉnh để vào bình nuôi được

mô tả bởi thuật ngữ tốc độ pha loãng , ký hiệu là D, bằng tốc độ bổ sung môi trường trên thể tích làm việc của bình nuôi Sự cân bằng giữa sinh trưởng của tế bào và sự hao hụt của chúng từ hệ thống này có thể được mô tả như sau:

dx/dt = μx – Dx Trong đó: μx là tốc độ sinh trưởng đặc trưng

Dx là tốc độ pha loãng

Ở điều kiện ổn định, dx/dt =0 hay μ=D

Kể từ đây, tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật được điều chỉnh bằng tốc

độ pha loãng, và đây là một biến thực nghiệm Điều này lưu ý rằng dưới các điều kiện nuôi cấy mẻ, một cơ thể sẽ sinh trưởng ở tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng của nó Vì thế, nuôi cấy liên tục chỉ có thể hoạt động ở các tốc

độ pha loãng phía dưới tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng Như vậy, trong các giới hạn nhất định, tốc độ pha loãng có thể được dùng để điều chỉnh tốc

độ sinh trưởng của nuôi cấy chemostat

Sự khác nhau giữa trạng thái ổn định của chemostat và trạng thái gần như ổn định của fed-batch ở chỗ trong chemostat thì tốc độ pha loãng D là hằng số còn ở fed-batch thì D lại giảm theo thời gian

- Hệ nuôi cấy đóng, dễ

kiểm soát khử trùng

- Hệ nuôi cấy mở, khó kiểm soát khử trùng

- Hệ nuôi cấy mở

- Lượng chất dinh

dưỡng đưa vào 1 lần

- Lượng chất dinh dưỡng đưa vào liên tục

- Lượng chất dinh dưỡng đưa vào được kiểm soát

- Thu hoạch tế bào và

sản phẩm 1 lần

- Lấy sản phẩm ra liên tục

- Lấy sản phẩm ra liên tục

- Tiếp giống cấp I, 5% - Tế bào quay vòng

liên tục

- Tế bào quay vòng

- Có 5 pha sinh trưởng - Pha log kéo dài - Kéo dài pha cân bằng

- Hiệu suất thu hồi sản

phẩm thường thấp

- Hiệu suất thu hồi sản phẩm thường cao

- Hiệu suất sản phẩm cao

ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC HỆ THỐNG LÊN MEN

Hệ

thống

Mẻ - Đảm bảo tốc độ sinh trưởng

cực đại đặc trưng

- Thích hợp trong sản xuất các

sản phẩm vi sinh thu sản phẩm

1 lần (không yêu cầu lượng

sinh khối vi sinh lớn)

- Trong suốt thời gian lên men

mẻ, sản lượng nhiệt, sự sản xuất kiềm hoặc acid, và sự tiêu thụ oxygen sẽ biến thiên từ các tốc

độ rất thấp ở lúc bắt đầu tới các tốc độ rất cao trong suốt pha log muộn Vì vậy, điều chỉnh môi trường của một hệ thống như thế khó hơn nhiều so với quá trình liên tục

Liên

tục

- Đối với sản xuất sinh khối ưu

điểm kỹ thuật là có khả năng

điều chỉnh để cải thiện quá

trình lên men Do đó,ở trạng

thái ổn định các tốc độ sản xuất

- Nhược điểm thường xuyên của

hệ thống nuôi cấy liên tục là sự mẫn cảm của chúng với sự nhiễm bẩn bởi các cơ thể bên ngoài Ngăn cản sự nhiễm bẩn

và tiêu thụ là hằng số.

- Lượng sản phẩm được lấy ra

liên tục và tế bào được quay

vòng liên tục đảm bảo năng

suẩt thu hồi cao

là vấn đề hàng đầu khi thiết kế

hệ lên men, xây dựng và vận hành, và phải được khắc phục bởi một công nghệ tốt

- Việc ứng dụng nuôi cấy liên tục để sản xuất các sản phẩm sinh tổng hợp của vi sinh vật gặp nhiều hạn chế Mặc dù, về

lý thuyết có khả năng tối ưu một

hệ thống liên tục để có thể tăng hiệu suất của sự trao đổi chất, tuy nhiên khả năng ổn định trong một thời gian dài của các

hệ thống như thế là rất khó khăn

do sự thoái hóa của chủng vi sinh vật

Fed-bath

- Fed-batch được sử dụng để

điều chỉnh quá trình và mở rộng

thời gian sản xuất của quá trình

nuôi cấy mẻ truyền thống mà

không có các nhược điểm cố

hữu của nuôi cấy liên tục đã

được mô tả ở trên

- Ưu điểm chính của cung cấp

thành phần môi trường vào

nuôi cấy là chất dinh dưỡng có

thể được duy trì ở nồng độ rất

thấp trong suốt quá trình lên

men Nồng độ chất dinh dưỡng

thấp có thể thuận lợi để:

+ Duy trì các điều kiện nuôi cấy

trong phạm vi khả năng thông

khí của hệ lên men

+ Loại bỏ các ảnh hưởng khắc

nghiệt của các thành phần môi

trường, ví dụ như sử dụng

nhanh các nguồn N,P,C

+ Tránh các hiệu quả độc của

thành phần môi trường

- Vẫn giữ 1 số nhược điểm của

batch do tế bào phải được khởi động như batch,sinh trưởng phải đạt tới nồng độ tế bào xác định mới bắt đầu vận hành được

+ Cung cấp một mức độ giới

hạn chất dinh dưỡng cần thiết

cho các chủng dị dưỡng

HỆ THỐNG LÊN MEN LIÊN TỤC TRONG SẢN XUẤT

CỒN QUY MÔ CÔNG NGHIỆP

Bản chất của phương pháp lên men liên tục là rải đều các giai đoạn lên men mà mỗi giai đoạn đó được thực hiện trong một hoặc nhiều thiết bị lên men có liên hệ với nhau Hệ thống lên men liên tục thường có 11-12 thùng được nối với nhau bằng các ống chảy chuyền và van điều chỉnh Kết thúc quá trình lên men ta thu được dấm chín với nồng độ rượu khoảng 7-9%

Để thu được cồn tinh chế từ dấm chín, người ta thực hiện hai quá trình là chưng cất và tinh chế Hai quá trình này được thực hiện trên các tháp chưng cất và tháp tinh chế

Quá trình chưng cất là quá trình tách cồn cùng với các tạp chất dễ bay hơi ra khỏi dấm chín; kết thúc quá trình chưng cất ta được cồn thô

Quá trình tinh chế là quá trình tách tạp chất ra khỏi cồn thô và cuối cùng ta nhận được cồn tinh chế

Ngoài hệ thống thông khí và hệ thống làm nóng và làm lạnh, trong nồi lên men còn có các hệ thống ống cấy, ống nạp môi trường, ống lấy mẫu, ống nạp chất chống bọt hoặc các chất khác Ngoài ra còn có một số máy đo như các điện cực đo pH, điện cực đo ôxy hoà tan, điện cực chống bọt, ống nhiệt

kế nối với nhiệt kế tự ghi và một áp kế đặt trên ống thoát Sau cùng có các cửa quan sát để kiểm soát bên trong nồi và một cửa để thường kỳ tổng vệ sinh nồi

Hệ thống lên men liên tục này cho phép thu dấm chín liên tục sau đó mới chuyển qua giai đoạn chưng cất và tinh chế để thu sản phẩm cuối cùng

là cồn tinh chế