CÔNG NGHỆ LÊN MEN VÀ CÁC SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ LÊN MEN

CÔNG NGHỆ LÊN MEN VÀ CÁC SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ LÊN MEN

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

CƠ SỞ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giáo viên hướng dẫn:

TS NGUYỄN ĐẮC KHOA

NỘI DUNG BÁO CÁO

I CÔNG NGHỆ LÊN MEN

II CÁC SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ LÊN MEN

I CÔNG NGHỆ LÊN MEN

1 Khái niệm

- Là quá trình biến đổi do vi sinh vật

- Trong điều kiện yếm khí hay hiếu khí

- Biến đổi 1 phần hay toàn bộ cơ chất thành sản phẩm trao đổi chất hữu ích cho con người.

1 Khái niệm

Ưu thế của vsv trong quá trình lên men công nghiệp:

- Kích thước nhỏ – hấp thu và biến đổi nhanh

- Nguồn cơ chất đơn giản và rẻ tiền

- Thích ứng với nhiều loại môi trường

- Dễ dàng sử dụng kỹ thuật di truyền - tăng sản lượng và

biến đổi sản phẩm cuối.

- Biến đổi cơ chất thành các sản phẩm đồng phân có giá trị

cao mà biến đổi hóa học khó hoặc không thể thực hiện được.

SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA CÔNG NGHỆ LÊN MEN

QUY TRÌNH LÊN MEN

1 Thiết lập môi trường - tăng sinh giống và sản xuất

2 Thanh trùng môi trường, nồi lên men và các thiết bị

3 Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để cung cấp cho các bồn lên men trong giai đoạn sản xuất

4 Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự phát triển của giống

để sản sinh sản phẩm

5 Chiết và tinh chế sản phẩm

6 Xử lý những chất thải tạo ra trong quy trình

SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VSV

TRONG BIOREACTOR

Trong lên men:

-Pha logarit và pha quân bình (ổn định) có vai trò quyết định trong quá trình tạo sản phẩm

-Giảm thiểu pha lag (cải thiện chất lượng giống vi sinh vật, tăng lượng giống) nhằm rút ngắn thời gian lên men và tăng năng suất.

-Pha suy tàn có ý nghĩa quyết định trong công nghệ thực phẩm và xử lý nước thải.

Các nhân tố ảnh hưởng trong quá

trình phát triển của tế bào

- Sự tỏa nhiệt do tăng trưởng

- Giới hạn cơ chất

- Ức chế cơ chất

- Ức chế sản phẩm

- pH, nồng độ CO2 hòa tan

Nguồn dinh dưỡng và nguyên liệu ban đầu

1.Môi trường (tự nhiên hoặc tổng hợp)2.Nước

3.Nguồn Carbon

4.Nguồn Nitrogen

5.Các nguyên tố và vitamin

6.Các chất phá bọt

Quá trình lên men được phân thành:

+ Quá trình lên men hiếu khí + Quá trình lên men yếm khí

- Sản phẩm sơ cấp là acid pyruvic

- Có sự tham gia của enzyme

- Quá trình sinh năng lượng

PHÂN LOẠI LÊN MEN

Theo trạng thái vật lý của môi trường:

Phương pháp lên men bề mặt:

Môi trường tổng hợp ở thể lỏng (nước đường hóa, mật rỉ,… vi khuẩn) hoặc đặc(cám, ngô, tấm, gạo,…nấm mốc, xạ khuẩn) phối hợp với muối khoáng

Bề mặt nuôi cấy vsv phải thoáng Quá trình nuôi cấy dùng quạt thông gió

Phương pháp lên men bán rắn:

Là phương pháp trung gian giữa lên men bề mặt

và bề sâu với 70% là nước.

Phương pháp lên men bề sâu

VSV được nuôi trong môi trường lỏng và phát triển theo bề sâu của môi trường

Thùng lên men có cánh khuấy và thiết bị sục khí liên tục

pH môi trường rất quan trọng

Theo sự hoạt động của thiết bị:

- Lên men tĩnh

- Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất

- Lên men liên tục

+ lên men đơn cấp + lên men nhiều cấp

II VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHỆ

LÊN MEN

1 Các yêu cầu về giống VSV:

- Hiệu suất sinh tổng hợp

- Khả năng thích nghi nhanh

- Tốc độ sinh trưởng cao

- Thành phần môi trường nuôi cấy

- Sự ổn định các hoạt tính trao đổi chất.

- Sau khi lên men dễ dàng tách sản phẩm

và sinh khối

- Các tính chất đặc trưng khác

- Không sinh tổng hợp độc tố: đối với men thực phẩm

2 Chọn giống VSV cho sản xuất

2.1 Nguồn gốc giống

• Phân lập từ

môi trường tự

nhiên

• Tạo giống mới gồm 2 hướng chính:

- Không sử dụng những yếu tố gây đột biến, thường sử dụng phương pháp huấn luyện thích nghi.

VD: Samonella typhi và yếu tố sinh trường

+ Phương pháp vật lý: Sử dụng tia chiếu xạ như: tia UV, tia X, tia gamma…  hydrate hóa gốc pyrimidine, deamin hóa cytosine…

-Các phương pháp tổ hợp di truyền:

+ Tiếp hợp

+ Chuyển nạp/ biến nạp

+ Tải nạp

2.2 Bảo quản giống VSV

- Cấy chuyền trên môi trường thạch nghiêng.

-Giữ giống trong hạt ngũ cốc.

-Giữ giống trong cát hoặc đất.

-Giữ giống trong dầu.

-Giữ giống trong giấy lọc.

-Giữ giống trên các miếng gelatin.

-Phương pháp đông lạnh.

-Phương pháp đông khô.

2.3 Nhân giống

Khi tiến hành nhân giống cần quan tâm tới các vấn đề sau:

-Chọn môi trường nhân giống.

-Chọn điều kiện nhân giống.

-Thiết bị nhân giống.

-Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng.

3.1 Chuẩn bị môi trường lên men

Phân loại môi trường lên men công nghiệp:

-Tính chất vật lý: môi trường lỏng và môi trường rắn, môi trường bán rắn

-Thành phần và nguồn gốc:

+ Môi trường tự nhiên: dùng các nguyên liệu tự nhiên để pha chế (sữa, trứng, khoai tây, dịch chiết nấm men) mà thành phần hóa học của chúng không được xác định chi tiết và chính xác.

+ Môi trường bán tổng hợp: ngoài các nguyên liệu tự nhiên còn thêm một số hóa chất có thành phần nhất định.

+ Môi trường tổng hợp: dung hoàn toàn các hóa chất có thành phần xác định để pha chế.

Nguyên tắc thiết lập môi trường:

-Chất dinh dưỡng cần thiết cho VSV sử dụng trong quá trình lên men (Nguồn carbon; nguồn nito; khoáng; nguyên tố đa lượng như Mg, P, K, S, Ca và Cl; nguyên tố vi lượng như Cu, Fe, Zn; các yếu tố sinh trưởng như vitamin, purine, pyrimidine,…)

-Thành phần dinh dưỡng có giá trị công nghiệp.

-Đặc tính của chất dinh dưỡng liên quan đến quá trình tồn trữ, sản xuất, thanh trùng hay tiệt trùng và quá trính tinh sạch sản phẩm.

-Giá trị của thành phần dinh dưỡng.

-Các yếu tố khác: pH, nhiệt độ, độ ẩm…

3.2 Thiết bị trong công nghệ lên men

- Thiết bị lên men sinh học (bioreactor): VSV tự do, VSV cố định

- Thiết bị phản ứng (reactor): dử dụng

enzyme tự do/ cố định

Quy trình lên men công nghiệp

- Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn và khử trùng nguyên liệu, thiết bị lên men

- Lên men trong bioreactor với điều kiện thích hợp để tạo nhiều sản phẩm mục tiêu

- Sau lên men: thu sản phẩm lên men, tinh chế, bảo quản sản phẩm

II VI SINH VẬT TRONG CÔNG

NGHỆ LÊN MEN

1 Các yêu cầu về giống VSV

- Hiệu suất sinh tổng hợp

- Khả năng thích nghi nhanh

- Tốc độ sinh trưởng cao

- Thành phần môi trường nuôi cấy

- Sự ổn định các hoạt tính trao đổi chất.

- Sau khi lên men dễ dàng tách sản phẩm

và sinh khối

- Các tính chất đặc trưng khác

- Không sinh tổng hợp độc tố: đối với men thực phẩm

2 Chọn giống VSV cho sản xuất

2.2 Bảo quản giống VSV

2.3 Nhân giống

Khi tiến hành nhân giống cần quan tâm tới các vấn đề sau:

-Chọn môi trường nhân giống

-Chọn điều kiện nhân giống

-Thiết bị nhân giống

-Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng

3.1 Chuẩn bị môi trường lên men

Phân loại môi trường lên men công nghiệp:

-Tính chất vật lý: môi trường lỏng và môi trường rắn, môi trường bán rắn

-Thành phần và nguồn gốc:

+ Môi trường tự nhiên

+ Môi trường bán tổng hợp

+ Môi trường tổng hợp

Nguyên tắc thiết lập môi trường:

-Chất dinh dưỡng cần thiết cho VSV sử dụng trong quá trình lên men (Nguồn carbon; nguồn nito; khoáng; nguyên tố đa lượng; nguyên tố vi lượng; các yếu tố sinh trưởng,…)

-Thành phần dinh dưỡng có giá trị công nghiệp

-Đặc tính của chất dinh dưỡng liên quan đến quá trình tồn trữ, sản xuất, thanh trùng hay tiệt trùng và quá trính tinh sạch sản phẩm

-Giá trị của thành phần dinh dưỡng

-Các yếu tố khác: pH, nhiệt độ, độ ẩm…

3.2 Thiết bị trong công nghệ lên men

- Thiết bị lên men sinh học (bioreactor): VSV tự do, VSV cố định

- Thiết bị phản ứng (reactor): dử dụng enzyme tự do/ cố định

Sản phẩm của Công nghệ lên men

Các nhóm sản phẩm căn bản (6)

Men bánh

mì

Vaccine (Nguồn: Developeme

ntal disabilities Institute)

MedIndia)

Sinh khối VSV

Enzyme

VSV

amylase

α- glucanas

β-e

Amyloglycosi

dase

Glucose isomerase

Cellula se

Các sản phẩm trao đổi chất

làm nguồn cung cấp năng

lượng để sản xuất và bài

tiết đường và cellulose ,

- Cố định phân tử nitơ trong

khí quyển, mà không cần

phân bón gốc dầu

Sản phẩm tái

tổ hợp gen

Sản phẩm của chuyển hóa sinh học

Các biopolymer và biosurfactant

1.1 Quy trình sản xuất tương truyền thống

- Làm mốc tương (5 – 7 ngày)

- Làm nước đậu (7 – 9 ngày)

- Ngả tương và để chín (5 – 10 ngày)

(Nguyễn Thúy Hương, 2011)

1.2 Quy trình sản xuất công nghiệp

Yêu cầu trong quy trình:

- Vi sinh vật: Aspergillus oryzae.

- Đảm bảo điều kiện nuôi nấm hoàn toàn ổn định  Chất lượng tương tốt.

- Có thể điều chỉnh các điều kiện lên men, thủy phân trong quá trình sản xuất  Chất lượng càng cao, càng ổn định hơn.

2 SẢN XUẤT CHAO

• Lên men từ sữa đậu nành đông đặc do VSV tiết ra enzyme để chuyển hóa protein, chất béo, glucid  phân tử đơn giản như acid amin, acid béo, các đường đơn

• Hiện nay, Mucor mucedo

và Mucor pusillus, đông tụ

sữa hiệu quả, sản lượng enzyme thu được cao

2.1 Ưu và nhược điểm của sản xuất chao truyền thống

Lên men tự nhiên

Năng suất không cao

Thời gian dài

Dễ bị tạp nhiễm nhiều loại VSV, có thể chứa VSV gây thối, mốc làm đắng, tiết độc tố mycotoxin…

Cần có cơ sở khoa học, kỹ thuật để năng cao nâng suất và chất lượng

 Sản xuất công nghiệp

2.2 Tiêu chuẩn chọn giống VSV sản xuất chao

• Khuẩn ty thể phải tròn, bóng, có màu trắng

hoặc màu hơi vàng  màu đặc trưng

• Cấu trúc của sợi nấm phải chặt, dày, tạo

một lớp màng vững chắc trên bánh đậu 

giữ hình dạng ban đầu

• Không tạo ra mùi vị khó chịu do nấm bị

nhiễm

• Tạo được enzyme có hoạt tính thủy phân

đạm cao

VSV thuần chủng trong nhiệt độ, độ ẩm,

môi trường, pH tối ưu  Chao có chất

lượng tốt, sản phẩm ổn định

2.3 Quy trình làm chao truyền thống tại Việt Nam

có thể lên đến 57,1%, và so với cô đặc bằng calcium sulfat là 54% chất khô

2.4 Sản xuất chao theo phương pháp hiện đại

• Sản xuất đậu phụ làm chao

• Nuôi mốc

• Ướp muối

• Lên men và chế biến

• Đóng gói

3 Công nghệ sản xuất bia:

3 Công nghệ sản xuất bia: 3.1 Nguyên liệu chính

3.2 Quy trình công nghệ sản xuất bia

Thiết bị lên men bia Bia thành phẩm

3 Công nghệ sản xuất bia:

4 Công nghệ SX rượu

4.1 Quy trình công nghệ SX rượu không qua chưng cất

4.2 Quy trình công nghệ SX rượu qua chưng cất

Quy trình công nghệ SX cồn nhiên liệu

Nguyên liệu tinh bột

Nấu nguyên liệu

Đường hóa nguyên liệu

Lên men dịch đường

Chưng cất và tinh chế

Nấm men

Nhân giống

Hệ thống tháp chưng cất Ethanol

6 Biopolymer sinh học

• Một số biopolymer: Xanthan, alginate vi sinh, gellan…

• Các đại phân tử (nucleic acid,

polysaccharide và lipid) thu nhận

từ các sinh vật sống

• Ở nhiều VSV – exopolysacraride

(sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa) Có khả năng sản

sinh 1 biopolymer thương mại quan trọng là xanthan gum

Bệnh cháy lá (bã trầu)

Xanthomonas campestris

Công thức cấu tạo của xanthan gum

Sơ đồ tạo xanthan gum:

Surose, glucose, lactose

Xanthomonas campestris

Lên men

polysacharide Làm khô, Xanthan gum

Nghiền

Được sử dụng như các tác nhân làm ổn định, làm đặc, nhũ hóa hay tạo huyền phù.

Sản phẩm và công dụng:

Thực phẩm có chứa xanthan gum

7 Công nghệ khai khoáng đồng nhờ VSV

- Quặng khai thác được chứa hàm lượng đồng rất thấp (< 0,4%).

- Do đó, sử dụng VSV sẽ giúp khai thác 1 cách hiệu quả.

- VSV được sử dụng : Thiobacillus ferrooxidansVSV được sử dụng :

Quy trình:

Nhân giống

Tạo môi trường pH 1,3 – 3,0 bằng

phát triển

Lên men

Thiobacillus ferrooxidans oxy hoá

Sơ đồ

hoá:

Thiobacillu

s ferrooxida ns

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ

- Ưu điểm:

+ Thu kim loại có tính chọn lọc đặc hiệu

+ Ít gây hại vỏ trái đất

+ Ít ảnh hưởng sinh giới

+ Có thể thu nhận kim loại

từ những quặng phế thải và

ở độ sâu lớn

KẾT LUẬN

• Phương pháp lên men vi sinh vật hình thành sớm nhất trong việc chế biến và bảo quản thực phẩm, tạo ra cách mạng sinh học, đặt nền tảng cho nền công nghệ sinh học truyền thống phát triển

• Các sản phẩm lên men có tính ứng dụng cao, đã và đang được sản xuất ở quy mô công nghiệp, đáp ứng đầy đủ cho lợi ích của con người