Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology

Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology

19/09/2011 10:58 SA 1 Nguyễn Hữu Trí

CÔNG NGHỆ LÊN MEN

FERMENTATION TECHNOLOGY

• Công nghệ lên men, hay công nghệ quá trình sinh học (bioprocess technology), bắt nguồn từ việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất các thực phẩm như phó mát, sữa chua, các loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương, các loại thức uống (bia, rượu vang, )…

• Các quá trình sinh học từng được tiến hành thủ công, nhưng ngày nay được tiến hành theo quy trình công nghệ và được áp dụng kiến thức khoa học hiện đại.

Công nghệ lên men

Tempeh

3

Lên men là gì?

• Trong sinh hóa: lên men là quá trình phát sinh năng

lượng trong đó chất hữu cơ vừa là chất cho điện tử vừa

là chất nhật điện tử cuối cùng.

• Trong công nghiệp: lên men mô tả bất cứ quá trình sản

xuất sản phẩm bởi nuôi cấy sinh khối tế bào trong một

thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor)

4

Quy trình lên men

• Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinh giống và sản xuất

• Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men và các thiết bị kèm theo

• Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để cung cấp chp các bồn len men trong giai đoạn sản xuất

• Bước 4: Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự phát triển của giống để giống sản sinh sản phẩm

• Bước 5: Chiết và tinh chế sản phẩm

• Bước 6: Xử lý những chất thải tạo ra trong quy trình

19/09/2011 10:58 SA 5 Nguyễn Hữu Trí

5 -10 mL

0,2 -1 L

10 -100 L

100 -100.000 Quy trình lên men

Quy trình lên men

• Quá trình lên men công nghiệp gồm 3

công đoạn chính:

– Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn

và khử trùng nguyên liệu và 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.

Quy trình lên men

Phân loại lên men

Dựa vào cách cho cơ chất vào môi trường và thu hoạch sản phẩm mà người ta chia thành các dạng nuôi cấy:

— lên men theo mẻ

— lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất

— lên men liên tục

19/09/2011 10:58 SA 9 Nguyễn Hữu Trí

Vi sinh vật được cấy vào nồi lên men sau khi môi trường đã được chuẩn bị.

Trong điều kiện nuôi cấy vô trùng và đảm bảo các điều kiện thích hợp, vi sinh

vật sẽ phát triển theo một đồ thị điển hình gồm các giai đoạn:

(1): pha lag trong pha này vi sinh vật chưa phân chia, tế bào thích nghi dần với điều kiện môi trường (2): pha tăng tốc tạm thời trong giai đoạn này mật

độ vi sinh vât bắt đầu tăng nhanh (3): pha tăng trưởng hàm mũ, vi sinh vật tăng trưởng với tốc độ cực đại

(4): tăng trưởng chậm, tốc độ tăng trưởng giảm so với giai đoạn tăng trưởng cực đại

(5): pha ổn định, sự phát triển chậm lại hoặc dừng hẳn

(6): pha chết, tăng trưởng dừng hẳn, tế bào bị phá hủy

Lên men theo mẻ

19/09/2011 10:58 SA 10 Nguyễn Hữu Trí

Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất

• Để nâng cao năng suất mẻ lên men người ta

bổ sung cơ chất vào trong quá trình lên men

• 1/ Bổ sung từ từ các chất dinh dưỡng làm

tăng thể tích dịch nuôi cấy, phương pháp này được sử dụng trong công nghiệp sản xuất men bánh mì.

• 2/ Bổ sung môi trường mới vào bioreactor

đồng thời rút ra một thể tích dịch nuôi cấy (không chứa tế bào) tương ứng, phương pháp này được sử dụng trong nuôi cấy tế bào động vật

11

Môi trường luôn được cho vào đồng thời dịch lên men (môi trường, phụ

phẩm, vi sinh vật) được lấy ra với cùng một tốc độ, nhằm giữ thể tích dịch

lên men luôn ổn định.

Phương pháp này cho phép vi sinh vật phát triển dưới các điều kiện ổn

định, sự tăng trưởng diễn ra với tốc độ ổn định, trong một môi trường ổn

định.

Ứng dụng trong một số trường hợp như sản xuất protein đơn bào, ethanol

và trong một số qui trình xử lý nước thải.

Lên men liên tục

12

Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)

a)Biorector khuấy liên tục

b)Bioreactor dạng tháp c)Bioreactor tuần hoàn d)Bioreactor yếm khí e)Bioreactor chứa bùn hoạt

tính xử lý nước thải

Một số dạng bioreactor phổ biến

19/09/2011 10:58 SA 13 Nguyễn Hữu Trí

• Bioreactor là thiết bị quan trọng để thực hiện các

quá trình sản xuất sinh học như lên men bia, acid

hữu cơ, acid amin, kháng sinh, enzyme, vaccine,

xử lý chất thải.

• Trong thiết bị lên men, vi sinh vật được phân tán

trong môi trường, khí O2và các chất dinh dưỡng

được tế bào hấp thu đồng thời các sản phẩm

phụ như nhiệt độ, CO2 , các chất biến dưỡng

không cần thiết phải được loại ra khỏi tế bào.

Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)

19/09/2011 10:58 SA 14 Nguyễn Hữu Trí

Cấu tạo cơ bản của nồi lên men

N ồ i lên men

H ệ th ố ng thanh trùng

B ộ ph ậ n khu ấ y, cung c ấ p khí

H ệ th ố ng giám sát – đi ề u

ch ỉ nh nhi ệ t đ ộ

H ệ th ố ng giám sát – đi ề u

ch ỉ nh pH

H ệ th ố ng n ạ p m ẫ u

H ệ th ố ng giám sát – phá b ọ t

19/09/2011 10:58 SA 15 Nguyễn Hữu Trí

Bioreactor

Hình dạng của các

bioreactor thay đổi

nhanh chóng trong vài

thập niên gần đây Để

nâng cao khả năng

thông khí và khuấy

trộn người ta sử dụng

hai hệ thống cải tiến

sau:

—Hệ thống sử dụng

các thiết bị thông khí

và khuấy trộn cơ học

—Hệ thống sử dụng hệ

thống bơm cơ học

hoặc bơm khí động

học

19/09/2011 10:58 SA 16 Nguyễn Hữu Trí

Hệ thống đầu tiên sử dụng các thiết bị thông khí và khuấy trộn cơ học điển hình

là bồn lên men với hệ thống khuấy trộn ở trung tâm (centrally stirred tank reactor CSTR) Các thiết bị này có chứa một hoặc nhiều cánh khuấy.

Cánh khuấy giúp tăng O 2 hòa tan, giúp các thành phần trong bồn lên men được phối trộn đều với nhau, tạo điều kiện cho chất dinh dưỡng và khí O 2 thấm vào trong tế bào, cho phép trao đổi nhiệt tốt hơn.

Bioreactor

19/09/2011 10:58 SA 17 Nguyễn Hữu Trí

Hệ thống thứ hai sử dụng

hệ thống bơm cơ học hoặc

bơm khí động học làm thiết

bioreactor Dung dịch trong

thiết bị này di chuyển theo

dòng tuần hoàn.

Bioreactor

19/09/2011 10:58 SA 18 Nguyễn Hữu Trí

Đối với tất cả các quá trình lên men, yêu cầu quan trọng nhất là phải đảm bảo sao cho mọi thành phần tham gia phải được đặt trong điều kiện giống nhau Các thông số lý hóa trong quá trình lên men phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo cho mỗi tế bào đều được đặt trong điều kiện như nhau

Để kiểm soát tốt quá trình lên men cần phải hiểu được trạng thái của quá trình và khả năng đáp ứng của vi sinh vật đối với các điều kiện khác nhau của môi trường Các thông số trong quá trình lên men có thể được kiểm soát một cách trực tiếp hoặc gián tiếp

Quá trìnhkiểm soát trực tiếp được thực hiện thông qua các sensor đặt trong bồn lên men Phương pháp này thường được áp dụng với các thông số như nhiệt độ, pH, hàm lượng O2, CO2hòa tan

Kiểm soát gián tiếp được thực hiện bằng cách lấy mẫu trong quá trình lên men và đem phân tích Phương pháp này dùng để đo hàm lượng DNA, RNA, enzyme và sinh khối

19

Hiệu quả lên men

— Để đạt hiệu quả lên men cao thì cần đáp ứng những

yêu cầu sau

— 1 Thiết bị lên men phải được thiết kế sao cho hạn

chế đến mức thấp nhất khả năng tạp nhiễm.

— 2 Thể tích dịch nuôi cấy trong thiết bị phản ứng phải

được duy trì ổn định tránh thất thoát hoặc bay hơi.

— 3 Mức độ O2hòa tan phải được điều chỉnh phù hợp

— 4 Các thông số như nhiệt độ, pH cần được kiểm

soát chặt chẽ, các thành phần phản ứng phải được

phối trộn tốt

20

Trước hết các quá trình lên men công nghiệp được thực hiện ở quy

mô phòng thí nghiệm, sau đó nâng lên mức sản suất thử (pilot) và cuối cùng là mở rộng sản xuất trên quy

mô công nghiệp.

Các số liệu thu được từ quy mô phòng thí nhiệm được dùng làm cơ

sở để thiết lập hệ thống pilot và hệ thống sản xuất công nghiệp.

Khi mở rộng qui mô sản xuất cần phải chú ý đến chế độ khuấy trộn, thông khí, kiểm soát các thông số sản xuất, đảm bảo điều kiện vô trùng trong quá trình sản xuất Bioreactor ở quy mô công nghiệp Sản xuất trên quy mô lớn (scale up)

19/09/2011 10:58 SA 21 Nguyễn Hữu Trí

Việc chuẩn bị môi trường có vai trò rất quan trọng, nó là

nền tảng cho toàn bộ quá trình lên men Nếu môi trường

được thiết kế không tốt sẽ dẫn hiệu quả lên men thấp, vi

sinh vật tăng trưởng kém và năng suất tạo sản phẩm

thấp

Nước thường là thành phần chủ yếu trong môi trường

nuôi cấy tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật, nó ảnh

hưởng đến sự phát triển của sinh vật cũng như sự hình

thành sản phẩm Nước là nguồn nguyên liệu đầu vào

quan trọng nhất đối với nhiều quá trình lên men nên nó

cần phải được kiểm soát cẩn thận.

Thiết kế môi trường cho quá trình lên men

19/09/2011 10:58 SA 22 Nguyễn Hữu Trí

Nguồn dinh dưỡng cơ bản cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật gồm nguồn carbon cung cấp năng lượng, nguồn nitơ, các thành phần vô cơ Trong hầu hết các quá trình lên men nguồn carbon và nitơ thường được lấy từ hỗn hợp các cơ chất rẻ tiền hoặc phế phẩm

từ các quá trình sản xuất.

Quá trình thanh trùng cũng cần được quan tâm đặc biệt sao cho vừa đảm bảo tiêu diệt toàn bộ các vi sinh vật tạp nhiễm vừa hạn chế đến mức thấp nhất sự biến chất của các thành phần môi trường.

Phương pháp thanh trùng theo mẻ đang được sử dụng rộng rãi

Thiết kế môi trường cho quá trình lên men

19/09/2011 10:58 SA 23 Nguyễn Hữu Trí

Lên men cơ chất rắn

• Cơ chất sử dụng: hạt ngũ cốc, cám lúa mì, rơm, mùn cưa

hay gỗ dăm bào, và nhiều loại nguyên liệu từ động vật và

thực vật.

Các hợp chất này là những phân tử polymer, không tan hay

ít tan trong nước, giá thành rẻ, dễ thu nhận; là nơi tập trung

nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển.

• Thành phần vi sinh vật trong lên men cơ chất rắn có thể là

chủng thuần hoặc hỗn hợp vi sinh vật.

• Thực phẩm lên men cơ chất rắn:

– Ở phương Đông: nước tương, tempeh, sản xuất enzyme trên

quy mô công nghiệp.

– Ở phương Tây: thức ăn gia súc ủ chua (silage), nuôi trồng nấm,

sản xuất phó mát và sauerkraut, và làm phân bón từ thực vật và

chất thải động vật.

– Một số sản phẩm khác: ethanol, methane, sinh khối sinh vật có

thể ăn được (edible biomass).

19/09/2011 10:58 SA 24 Nguyễn Hữu Trí

Vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh Chất thải

Xử lý chất thải

Nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn Hỗn hợp vật liệu hữu cơ

Làm phân bón

Aspergillus niger

Cám mì, … Enzymes

Aspergillus niger

Đườ ng mía, mật rỉ đường Acid hữu cơ

Thiobacillus spp.

Quặng giá trị thấp Tuyển khoáng

Penicillium roquefortii

Sữa đông Phó mát

Neurospora sitophila

Bánh đậu phộng ép Ontjom

Rhizopus oligosporus

Đậ u nành Tempeh

Aspergillus oryzae

Đậ u nành và lúa mì

Nướ c tương

Vi khuẩn lactic Cải bắp

Sauerkraut (dưa cải bắp Đức)

Agaricus bisporus Lentinus edodes Volvariella volvaceae

Rơm , phân bón Sản phẩm từ nấm

(Châu Âu và phương Đông)

Vi sinh vật liên quan

Cơ chất

Ví dụ

Ví dụ về lên men sử dụng cơ chất rắn

19/09/2011 10:58 SA 25 Nguyễn Hữu Trí

Các quá trình bị hạn chế chủ yếu

do khuôn chịu được độ ẩm thấp.

Tạo ra lượng nhiệt trao đổi khi tiến hành trên quy mô lớn.

Khó kiểm soát chính xác độ ẩm, sinh khối, lượng O 2 , CO 2

Bioreactor thiết kế không hoạt

độ ng tốt.

Sự giới hạn sản phẩm.

Tốc độ phát triển của vi sinh vật thấp hơn.

Môi trường đơn giản, giá thành rẻ.

Nguyên liệu có độ ẩm thấp tiết

kiệm được không gian của

bioreactor, lượng chất lỏng cần xử

lý ít, nguyên liệu chứa ít vi sinh vật

hơn , thường không cần khử trùng,

dễ xử lý sau lên men.

Nhu cầu thông khí có thể được đáp

ứ ng bằng khuếch tán khí hoặc làm

thông khí không liên tục.

Năng suất sản phẩm có thể cao.

Chi phí năng lượng thấp hơn so với

bioreactor thùng khuấy.

Bất lợi Thuận lợi

Thuận lợi và bất lợi của lên men

cơ chất rắn so với lên men lỏng

19/09/2011 10:58 SA 26 Nguyễn Hữu Trí

• Các loại bioreactor sử dụng trong lên men cơ chất rắn

- không khuấy trộn

- khuấy trộn gián đoạn

- khuấy trộn liên tục

• Koji được sản xuất trong hệ thống nuôi cấy mẻ bán liên

tục hoặc liên tục.

• Một số quá trình lên men cơ chất rắn cần tiến hành tiền xử

lý nguyên liệu thô để tăng giá trị dinh dưỡng và giảm kích thước của các thành phần (ví dụ như bột rơm, cắt nhỏ nguyên liệu thực vật)

Chi phí của tiền xử lý phải cân đối với giá trị sản phẩm cuối

Lên men cơ chất rắn

27

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

• Đầu những năm 1950, virus bại liệt được nuôi cấy số lượng lớn

trong các tế bào động vật được nuôi cấy để chế vaccine chống bại

liệt.

Vaccine virus khác như quai bị, sởi, adenovirus

• Nửa cuối thế kỷ 20, tập trung vào cải tiến môi trường và quá trình

nuôi cấy để tạo ra tế bào có khả năng phát triển, tồn tại độc lập

và có khả năng phân chia tích cực

Các loại tế bào được nuôi cấy : người, chuột (rat, mice, hamster),

khỉ, gia súc, cừu, ngựa và gần đây là cá và côn trùng.

• Thành phần môi trường: chất hữu cơ như amino acid, vitamin, acid

hữu cơ và các chất khác, đệm muối vô cơ.

Vài loại môi trường còn chứa huyết thanh (5-20%) để cung cấp

nhân tố tăng trưởng, nguyên tố vi lượng, chất béo,…

28

• Trong môi trường dinh dưỡng thích hợp, tế bào động vật phát triển như sinh vật đơn bào, sinh sản bằng cách phân đôi Các tế bào động vật thiếu vách cứng bên ngoài tế bào nên dễ bị tổn thương do lực tác động và do thay đổi áp suất thẩm thấu.

• Nuôi cấy tế bào mới được phân tách từ cơ thể động vật gọi là nuôi cấy sơ cấp.

Ở giai đoạn này,các tế bào thường ở dạng hỗn hợp không đồng nhất nhưng vẫn còn đại diện cho các loại tế bào mẹ và biểu hiện đặc tính đặc hiệu mô.

• Sau vài lần nuôi cấy thứ cấp trên môi trường mới, các dòng tế bào

sẽ chết hoặc biến đổi thành dòng tế bào có khả năng phân chia liên tục.

Các dòng tế bào này có nhiều thay đổi so với khi nuôi cấy sơ cấp về hình thái tế bào, tốc độ tăng trưởng gia tăng, gia tăng sự biến đổi nhiễm sắc thể,…

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

19/09/2011 10:58 SA 29 Nguyễn Hữu Trí

• Tế bào động vật có thể phát triển trong nuôi cấy huyền phù hoặc

trên bề mặt rắn.

– Tế bào Hela (tế bào từ khối u ác tính ở người) có thể phát triển

trong cả hai trạng thái.

– Tế bào nguyên bào lympho (lymphoblastoid) có thể phát triển

trong môi trường lỏng.

– Các tế bào lưỡng bội sơ cấp hoặc tế bào ban đầu chỉ phát triển

trên môi trường rắn.

• Nuôi cấy lớp đơn tế bào động vật bị ảnh hưởng bởi diện tích bề

mặt có khả năng bám phải tìm cách gia tăng diện tích bề mặt

Nuôi cấy trong ống hoặc bình chứa quay tròn để bảo đảm sự trao

đổi khí và chất dinh dưỡng.

Gần đây, sử dụng những vòng ống Teflon có khả năng cho khí đi

qua, mỗi ống có diện tích bề mặt 10 000 cm 2 , có thể kết hợp 20 ống

thành một thiết bị nuôi cấy.

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

19/09/2011 10:58 SA 30 Nguyễn Hữu Trí

• Nuôi cấy huyền phù: sử dụng bioreactor dạng thùng khuấy với thể tích khá lớn dựa trên cơ sở bioreactor trong nuôi cấy mẻ từ nghiên cứu vi sinh vật.

• Kết hợp nuôi cấy bám và nuôi cấy huyền phù: sử dụng những hạt mang cực nhỏ (microcarrier beads).

Phần lớn quy trình nuôi cấy tế bào động vật liên quan đến nuôi cấy huyền phù tế bào.

• Hầu như tất cả những quy trình sản xuất có năng suất cao đều sử dụng phương pháp nuôi cấy huyền phù theo mẻ hoặc nuôi cấy bán liên tục.

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

Nguyên tắc: các tế bào cần chỗ bám (anchorage-dependent cells) được gắn lên những hạt DEAE-Sephadex đặc biệt, các hạt này có khả năng lơ lửng trong huyền phù Bằng cách này những lợi thế về kỹ thuật của bioreactor thùng khuấy có thể được sử dụng với những tế bào được neo lại. microcarrier bead

19/09/2011 10:58 SA 31 Nguyễn Hữu Trí

• Ứng dụng:

– Sản xuất vaccine (bại liệt, quai bị, bệnh dại,…),

– Nghiên cứu độc chất và thuốc nhằm giảm thử nghiệm trên động vật

– Sản xuất các cơ quan nhân tạo và da

– Sản xuất protein dùng cho chẩn đoán (kháng thể đơn dòng),

interferons, hormones, insulin,…

Kháng thể đơn dòng là sản phẩm quan trọng nhất trong nuôi cấy tế bào

động vật (đạt giá trị gần 3 tỉ $ năm 2001, và hiện đang gia tăng).

• Trong tương lai: cải tiến các dòng tế bào theo các hướng như gia tăng

tăng phạm vi sản xuất các phân tử sử dụng trong trị liệu ở người.

• Các dòng tế bào động vật (tế bào buồng trứng chuột, tế bào ung thư tủy

người) là hệ thống chiếm ưu thế trong sản xuất protein tái tổ hợp ứng dụng

khả năng lắp ráp và biến đổi sau dịch mã.

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

19/09/2011 10:58 SA 32 Nguyễn Hữu Trí

• Kỹ thuật chế tạo mô là một dạng của y học phục hồi, những sản

phẩm chính như da đang trở thành một phương pháp trị liệu thành công.

• Những sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô có giá thành sản xuất

và chi phí nghiên cứu cao.

• Phần lớn những sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô ở người được

tiến hành bằng cách nuôi cấy tế bào từ chính bệnh nhân hoặc người hiến tặng và sau đó cho chúng mọc trên một giá thể thích hợp và kích thích các tế bào tăng sinh để hình thành các mô đặc trưng.

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

Giá thể được tạo ra từ các vật liệu sinh học tự nhiên, tổng hợp hay bán tổng hợp Cấu trúc của giá thể sẽ xác định hình dạng của mô.

Sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô có thể thay thế cho mô của người hiến tặng sử dụng trong cấy ghép và phẩu thuật tái tạo.

Xương phát triển trên giá thể PCL

Xương

PCL

19/09/2011 10:58 SA 33 Nguyễn Hữu Trí

Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật

• Nuôi cấy tế bào thực vật hay cơ quan

trong vi nhân giống thực vật

• Nuôi cấy huyền phù tế bào nhiều loài

thực vật trong bioreactor để thu được

lượng lớn sản lượng như nicotine,

alkaloids và nhân sâm (ginseng),

các quy trình như vậy được xem như là

công nghệ sinh học tế bào thực vật.

• Hiện tại người ta dự định lên men trên

quy mô lớn để sản xuất thương mại

các sản phẩm từ thực vật có giá trị cao

như mao địa hoàng (digitalis), hoa

nhài, bạc hà (spearmint), codeine,…

Bioreactor nuôi cấy rễ tơ nhân sâm Hàn Quốc

19/09/2011 10:58 SA 34 Nguyễn Hữu Trí

Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật

• Phương pháp lên men theo cách tăng sinh tế bào thực vật

trong môi trường lỏng được khuấy trộn bắt nguồn từ kỹ thuật nuôi cấy vi sinh vật.

• Tế bào thực vật phát triển chậm hơn so với tế bào vi sinh

vật

• Đặc tính phổ biến của nuôi cấy tế bào thực vật: giai đoạn

tăng trưởng và giai đoạn tạo sản phẩm thường tách biệt nhau, đòi hỏi điều kiện cho tăng trưởng và tạo sản phẩm được tối ưu hóa theo cách khác nhau.

• Quá trình nuôi cấy theo mẻ và fed-batch (lên men bổ sung

dinh dưỡng) là những hệ thống bioreactor phổ biến nhất.

35

• Quá trình sau lên men liên quan đến tách chiết và tinh chế

sản phẩm thành dạng thích hợp cho mục đích nhất định.

• Các loại sản phẩm: toàn bộ tế bào, amino acid, vitamin, acid

hữu cơ, dung môi, enzyme, vaccine, protein trị liệu, kháng

thể đơn dòng.

• Các sản phẩm khác nhau đáng kể về kích thước phân tử,

thành phần hóa học, yêu cầu về độ tinh sạch

cần các phương pháp khác nhau để thu hồi và tinh sạch

Thiết kế quá trình xử lý sau lên men phù hợp với từng sản

phẩm để hiệu quả thu hồi sản phẩm cao.

• Quá trình xử lý sau lên men là một công đoạn tốn nhiều chi

phí trong toàn bộ quá trình sản xuất Sự cải tiến quá trình xử

lý sau lên men sẽ giúp tăng hiệu quả và giảm chi phí của

toàn bộ quy trình.

Quá trình xử lý sau lên men

36

Quá trình xử lý sau lên men chủ yếu liên quan đến việc phân tách dịch lên men trong bioreactor thành pha lỏng và pha rắn, và sau đó là

cô đặc và tinh sạch sản phẩm.

Quá trình xử lý sau lên men gồm nhiều giai đoạn

Biến đổi Làm khô

Kết tinh (Crystallisation) Sắc ký (Chromatography) Tinh chế

Hòa tan (Solubilisation)

Ly trích (Extraction)

Xử lý nhiệt (Thermal processing) Lọc qua màng (Membrane filtration) Kết tủa (Precipitation)

Cô đặc

Lọc (Filtration)

Ly tâm (Centrifugation) Tuyển nổi (Flotation) Phá vỡ (Disruption) Phân tách

Quá trình xử lý sau lên men

19/09/2011 10:58 SA 37 Nguyễn Hữu Trí

Quá trình xử lý sau lên men

• Quá trình xử lý sau lên men phụ thuộc rất nhiều vào tính chất

vật lý và hóa học của sản phẩm.

• Sự phân tách các thành phần trong pha lỏng của dịch lên men

có thể liên quan tới quá trình lắng, lọc, ly tâm hay phân tách

bằng điện động học mức độ cuối cùng của quá trình phụ

thuộc vào mục đích sử dụng của sản phẩm cuối cùng.

Khi sản phẩm đã được tách khỏi pha lỏng và pha rắn (như sinh

khối vi sinh vật), dịch lên men sẽ được loại bỏ và xử lý.

• Các phương pháp được sử dụng tách riêng sản phẩm cuối bao

gồm: làm khô, chưng cất, lắng, lọc màng, sắc ký hấp thụ, sắc ký

ái lực, sắc ký trao đổi ion và sắc ký lọc gel,…

• Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn tinh sạch sau lên men cần

có mức độ ổn định nhất định để tiêu thụ trên thị trường.

• Cần cần thận để tránh sự nhiễm vi sinh vật và tránh sự hư

hỏng, tránh sự biến tính sản phẩm có chứa protein.

19/09/2011 10:58 SA 38 Nguyễn Hữu Trí

• Cần hiểu biết về động học tăng trưởng và tạo sản phẩm của

từng đối tượng (vi sinh vật, tế bào thực vật, động vật) để thiết

kế môi trường lên men phù hợp, hiệu suất tạo sản phẩm cao.

Thiết kế quá trình xử lý sau lên men phải phù hợp với từng sản phẩm và giá thành sản phẩm.

• Quá trình xử lý sau lên men sẽ tiếp tục là một trong những

công đoạn nhiều thử thách nhất của quá trình công nghệ sinh học.

Quá trình xử lý sau lên men

19/09/2011 10:58 SA 39 Nguyễn Hữu Trí

Các sản phẩm lên men trong công

nghiệp thực phẩm

Các sản phẩm từ sữa (phô mai, sữa chua), sản phẩm từ cá

và thịt

Thức uống (rượu, trà và cà-phê)

Nấm men bánh mì (Baker’s yeast)

Phụ gia thực phẩm (chất chống oxi hóa, chất tạo màu, gia

vị,…)

Các thực phẩm truyền thống (nước tương, tempeh, miso)

Các sản phẩm từ nấm

Amino acid, vitamin

Các sản phẩm từ tinh bột

Glucose, siro có hàm lượng fructose cao (high-fructose

syrup)

Các protein được cải biến, pectin

19/09/2011 10:58 SA 40 Nguyễn Hữu Trí

Các sản phẩm như thực phẩm và thức uống vẫn là sản phẩm thương mại chính Các sản phẩm mới từ vi khuẩn, động vật và tế bào thực vật đang tăng lên, gồm:

– Các chất trao đổi sơ cấp như acid acetic và acid lactic,

glycerol, acetone, butyl alcohol, acid hữu cơ, amino acid, vitamin và các loại đường đa (polysaccharide).

– Các chất trao đổi thứ cấp như penicillin, streptomycin,

cephalosporin, giberellin,…

– Enzymes sử dụng trong công nghiệp như enzyme ngoại

bào (như là amylases, pectinases và proteases) và enzyme nội bào (invertase, asparaginase, các enzyme cắt giới hạn, )

– Kháng thể đơn dòng, vaccine, protein dùng trong chữa

bệnh.

Các sản phẩm lên men trong công

nghiệp thực phẩm