Đề cương ôn tập công nghệ lên men

Khái niệm về quá trình lên men Lên men là quá trình chuyển hóa cơ chất thành sản phẩm mới dưới tác dụng của enzyme do vi sinh vật sinh ra.. Các tính chất của enzyme Khái niệm Enzyme là n

Đề cương ôn tập công nghệ lên men

I Giới thiệu các quá trình lên men

1 Khái niệm về quá trình lên men

Lên men là quá trình chuyển hóa cơ chất thành sản phẩm mới dưới tác dụng của enzyme do vi sinh vật sinh ra

2 Khái niệm về enzyme Các tính chất của enzyme

Khái niệm

Enzyme là những chất xúc tác sinh học có bản chất là protein tự nhiên do các tế bào vi sinh vật sống sản sinh ra, nhưng hoạt động của enzyme không phụ thuộc vào tế bào Các tính chất của enzyme

- Phản ứng của enzyme là phản ứng thuận nghịch – phân giải tổng hợp:

enzyme có thể làm gia tăng phản ứng theo chiều thuận cũng như chiều ngược lại

- Enzyme có tính đặc hiệu – 1 loại liên kết, 1 loại cơ chất nhất định: mỗi enzyme

có tính đặc hiệu chuyên biệt, nó chỉ tác dụng đến một chất hoàn toàn xác định hoặc trên một khối liên kết hóa học nhất định trong phân tử

- Năng lượng tiêu tốn thấp – năng lượng hoạt hóa thấp

- Phản ứng bên trong hoặc bên ngoài tế bảo

- Điều kiện phản ứng ôn hòa ở pH, nhiệt độ vừa phải.

3 Các loại sản phẩm lên men

- Vi khuẩn

Men bánh mì, men bia Men Probiotic

Sản phẩm cuối của qt

trao đổi năng lượng - Ethanol - CO2

- Lactic acid

Bánh mì, rượu, bia Kefir

Sữa chua, phomat Sản phẩm trao đổi bậc 1 - Citric aicd

- Acetic acid

Citric acid Acetic acid (giấm) Sản phẩm trao đổi bậc 2 - Kháng sinh Kháng sinh

4 Các con đường pân giải glucose chủ yếu trong quá trình lên men

Glucose

Hiếu khí

 Chu trình đường phân Pyruvat

Ethanol + CO2 Lactate

+ O2

Acetate CO2 + H2O

II Động học tăng trưởng của vi sinh vật

5 Phân biệt 4 pha sinh trưởng của vsv

 Pha tiềm phát (pha lag): chưa tăng số lượng, có thể tăng thể tích và khối lượng

- Vi sinh vật thích nghi với môi trường

- Bào tử thấm nước, trương nở và nảy mầm

- Vsv tham gia tổng hợp, hoạt hóa enzyme

- Tích lũy năng lượng chuẩn bị cho giai đoạn sinh sản

- Thời gian tiềm phát tùy vào loài vsv, tuổi giống, lượng và tỷ lệ cấy giống, thành phần môi trường

 Pha log (chỉ số): số lượng tăng theo lũy thừa

 Pha cân bằng: số lượng tế bào mới sinh ra bằng số lượng tế bào chết đi trong cùng thời gian

- Tích lũy các sản phẩm trao đổi chất có tính độc

- Chất dinh dưỡng giảm dần

 Pha suy vong: số lượng tế bào chết đi nhiều hơn số lượng tế bào sinh ra

- Tích lũy nhiều chất có tính độc

- Cạn kiệt chất dinh dưỡng

6 Phân biệt lên men từng mẻ, liên tục, bán liên tục Ưu và khuyết điểm của từng pp Ứng dụng

 Lên men từng mẻ

- Khái niệm:

Là phương pháp nuôi cấy không liên tục, trong suốt quá trình nuôi cấy không bổ sung thêm mt dinh dưỡng cũng như không thu hồi sản phẩm trao đổi chất

 Sing trưởng của vsv diễn ra theo đúng bốn pha: Pha tiềm phát (pha lag), pha chỉ số (pha log), pha cân bằng, pha suy vong

- Ưu điểm:

+ Dễ sử dụng, thời gian ngắn

+ Thiết bị dễ vận hành, ít xảy ra sự cố

+ Tạo được các sản phẩm trao đổi bậc 2

+ Ít khả năng nhiễm khuẩn

+ Dễ truy xuất nguồn gốc

- Khuyết điểm

+ Tuổi giống vsv tăng, có khả năng biệt hóa

+ Tích lũy các chất có khả năng kìm hãm sinh trưởng và kìm hãm sự tạo thành sản phẩm

+ Nồng độ cơ chất ban đầu có thể hạn chế

+ Sự sai khác giữa các mẻ

+ Có thể xảy ra sự tự phân

+ Khó phát hiện do quá trình sinh lý phức tạp

- Ứng dụng

Được ứng dụng ở quy mô phòng thí nghiệm để nghiên cứu hoặc ở quy mô lớn để sản xuất ethanol hay các sản phẩm trao đổi bậc 1 và bậc 2

 Lên men liên tục

- Khái niệm:

Lên men liên tục là trong quá trình nuôi cấy ngta thu hồi các sản phẩm trao đổi chất

và bổ sung thêm môi trường dinh dưỡng trong suốt quá trình lên men

 Sinh trưởng của vsv duy trì ở pha log

Phương pháp nuôi cấy liên tục:

+ PP đơn cấp: Mt dinh dưỡng mới được thêm vào và mt đã lên men rút ra khỏi nồi lên men 1 cách liên tục với cùng 1 tốc độ

+PP nhiều cấp: vsv được nuôi trong nồi lên men nhiều cấp, mt dinh dưỡng mới được

bổ sung vào nồi thứ nhất và từ đó lần lượt chảy vào nồi tiếp theo

- Ưu điểm

+ Hiệu suất và tốc độ sinh trưởng cóa thể đạt tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh tốc độ dòng chảy

+ Có thể sử dụng công nghệ ổn định tế bào

+ Ảnh hưởng của cá yếu tố đến quá trình sinh lý dễ kiểm soát

+ Sự tiến hóa cuer giống vsv dễ được nghiên cứu

- Khuyết điểm

+ Khó truy xuất nguồn gốc

+ Một số sản có thể không được tối ưu

+ Khả năng nhiễm khuẩn lớn

+ Không tại được sản phẩm bậc 2

+ Có thể xảy ra đột biến hoặc mất tính chất tái tổ hợp

- Ứng dụng

Sản xuất sinh khối và một số sản phẩm bậc 1 của quá trình lên men

 Lên men bán liên tục

- Khái niệm

Bổ sung 1 hoặc nhiều chất dinh dưỡng vào thời điểm nhất định trong quá trình lên men và thu hồi hoặc không thu hồi sản phẩm

- Ưu điểm

+ Ngăn sự kìm hãm do nồng độ cơ chất

+ Kiểm soát được tốc độ sinh trưởng của vsv và lượng oxy cần thiết

+ Tăng sản xuất các sản phẩm không liên quan đến giai đoạn sinh trưởng

+ Giảm độ nhới môi trường

- Khuyết điểm

+ Cần hiểu rõ sinh trưởng của vsv và sự tạo sản phẩm

+ Phụ thuộc tính chính xác của các sensor đo lượng cơ chất

+ Hệ thống khó vận hành

7 Các công thức tính toán động học đối với lên men từng mẻ

- Thời gian thế hệ

g = n t => C=1

g=

n t

t: thời gian tính đến thời điểm hiện tại

n: số lần phân chia đến thời điểm hiện tại

- Số tế bào

N=N0 2 n

=N0 2

t g

=N0.2 c t

N 0: số tế bào ban đầu

N: số tế bào bào ở thời điểm hiện tại

 g= t log2 logN −log N0

t log2

- Sinh khối tế bào

Pha log : X = X 0 e .t

Pha cân bằng: X = Y.S 0

X 0: sinh khối ban đầu

X: sinh khối tế bào ở thời điểm hiện tại

Y: hằng số hiệu suất K (kl chất khô/kl chất dinh dưỡng)

S 0 :nồng độ chất ban đầu của chất dinh dưỡng hạn chế

  = lnX−ln X0

t

Sinh trưởng phụ thuộc vào chất dinh dưỡng hạn chế

  = max K S

s+S

max: hằng số tốc độ sinh trưởng

K s: hằng số bão hòa (nồng độ cơ chất mà tại đó  = 12 tốc độ sinh trưởng cực đại max)

S >> K s = max

S << K s = max S.K s -1

S: nồng độ chất dinh dưỡng hạn chế (chất dinh dưỡng hạn chế là nồng độ cơ chất không cho thừa so với nhu cầu của vsv)

Khi  = max, bỏ qua số vsv chết và xem X/X 0 = N/N 0max = 0,693g = 0,693.C

Các nhóm sản phẩm: sinh khối, sp cuối quá trình trao đổi năng lượng, sp bậc 1, sp bậc 2

+ Phụ thuộc vào quá trình sinh trưởng: r p = .r x

+ Không phụ thuộc vào quá trình sinh trưởng: r p = .X

r p: tốc độ tạo sản phẩm (kg sản phẩm.m-3.h-1)

8 Các yếu tố ảnh hưởng đến đời sống vsv

- Nhiệt độ:

- pH

- Các chất độc

- Yếu tố sinh học

III Các loại mt lên men trong công nghiệp

9 Những yêu cầu chung đối với mt lên men

- Hiệu suất tạo sinh khối/sản phẩm tối đa

- Tối thiểu sản phẩm không mong muốn

- Chất lượng đều đặn và sẵn có cả năm

- Tiết kiệm chi phí

- Không gây ra các vấn đề cho quá trình thu hồi sản phẩm

10 Các loại mt cung cấp nguồn C

- Rỉ đường

- Dịch kiềm sulfid

- Tinh bột và cellulose

- Dầu thực vật

- Hydrocarbon

11 Các loại mt cung cấp nguồn N

- Bột đậu tương

- Nước chiết ngô và cao ngô

- Nước chiết nấm men và cao nấm men

- Dịch thủy phân các loại khô dầu

- Peptone

12 Vai trò của nguồn O 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hòa tan của O 2 trong mt

- Vai trò của O2: cung cấp O2 cho các quá trình lên men hiếu khí và cho sự sinh trưởng và phát triển của vsv hiếu khí

13 Vai trò của chất phá bọt Yêu cầu đối với chất phá bọt Vd chất phá bọt phổ biến

- Vai trò của chất phá bọt: ngăn ngừa và chống tạo bọt cho dịch lên men

- Yêu cầu đối với chất phá bọt:

+ Sức căng bề mặt kém

+ Độ hòa tan thấp trong môi trường có bọt

+ Khả năng khuếch tán trong môi trường lỏng cao

- Một số chất phá bọt thường được dùng trong công nghiệp lên men như: chất béo

tự nhiên, cồn có mạch carbon cao, các dẫn xuất của sorbitan,

IV + VII Vi sinh vật và quá trình cấy, bảo quản giống vi sinh vật

14 Tiêu chuẩn giống vsv dùng trong lên men

- Chủng vsv phải thuần, không tạp nhiễm, không dễ bị nhiễm

- Dễ nuôi bằng nhiều loại cơ chất

- Phải đảm bảo năng suất sản phẩm cao

- Không tạo ra các chất không mong muốn

- Sản phẩm sinh khối có thể tách dễ dàng ra khỏi môi trường

- Bảo đảm đặc tính sinh hóa theo thời gian

- Dễ cải thiện để tăng năng suất

15 Quy trình nhân giống vi khuẩn Tên các loài vi khuẩn phổ biến trong lên men

Hòa bào tử vói nước

Môi trường vô trùng

sử dụng ngay Thu nhận  hoạt hóa  nuôi cấy

Thu hoạch, cô đặc  bảo quản Các loài vi khuẩn phổ biến trong lên men:

- Lactobacillus casei ( kefir, probiotic, acid hữu cơ)

- Lb bulgaricus (acid hữu cơ, sữa chua,…)

- Lb plantarum (dưa ngâm, probiotic, nước mắm)

- Leuconostoc cremoris (phomat, bơ)

- Sreptococcus thermophilus (Sữa chua, phomat, kefir)

16 Quy trình nhân giống nấm men Tên các loài nấm men phổ biến trong lên men

Môi trường vô trùng

Thu nhận  hoạt hóa  nuôi cấy  ly tâm, rửa  nấm men dạng lỏng

Ép, định hình

Sấy

Bảo quản Bao gói

Các loài nấm men phổ biến trong lên men

- Saccharomyces cerevisiae (sản xuất bánh mì, bia, rượu)

17 Quy trình nhân giống nấm mốc Tên các loài nấm mốc phổ biến trong lên men

Môi trường 1

MT3

Cấy truyền Nhân giống cấp 1 Bao gói

Nhân giống cấp 2 Các loài nấm mốc phổ biến trong lên men

- Aspergillus oryzae (sản xuất enzyme, nước chấm)

- Rhizopus oligosporus (làm tempeh)

- Mucor, Actionomucor (nước chấm, chao)

- Peniccilium (tạo vị cho phomat, sản xuất các chất kháng sinh)

18 Lên men lactic đồng hình và dị hình

 Lên men lactic đồng hình

Glucose Glucose-6-P Fructose-6-P

Fructose-1,6-bis P

Aldolase

Dihydroxyacetone Glyceraldehyde

1,3- diphosphoglycerate 3-phosphoglycerate 2-phosphoglycerate Phosphoenolpyruvate

Pyruvate Lactate dehydrogenase

Lactate Acid pyruvic được tạo thành theo chu trình EMP (đường phân) sau đó tạo thành acid lactic dưới tác dụng của enzyme lactaldehydrogenase, 1 lượng nhỏ pyruvate bị khử carbon để tạo thành acid acetic, ethanol, CO2 và acetone Lượng nhiều hay ít phụ thuộc vào sự có mặt của O2

 Lên men lactic dị hình

Glucose Glucose-6-P 6-phosphogluconate Ribulose-5-P

Xylulose-5-P

Acetyl phosphate Glyceraldehyde-3-P

Acetaldehyde Pyruvate Acetate Ethanol acetoin Lactate

Diacetyl Xảy ra trong trường hợp vi khuẩn lactic không có các enzyme cơ bản của chu trình EMP (Aldolase và triozophosphatizomerase), vì vậy Xilulose-5-P sẽ được tạo thành theo con đường pento phosphate (PP) Trong trường hợp này chỉ có 50% lượng đường tạo thành acid lactic, ngoài ra còn có các sản phẩm phụ khác như: acid acetic, ethanol,

CO2 Các sản phẩm phụ tương tác với nhau thành ester có mùi thơm

19 Các phương pháp bảo quản giống

- Bảo quản trên thạch nghiêng: các ống giống được bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt

độ 3 - 5C Cấy truyền định kỳ Người ta thường phủ lên môi trường đã được cấy giống một lớp dầu khoáng như Paraffin lỏng để kéo dài thời gian bảo quản và tránh tạp nhiễm

- Bảo quản trong silicagel, cát hoặc đất vô trùng: cát và đất được xử lý sạch và sàn lọc qua rây, điều chỉnh pH đạt trung tính, sấy khô và khử trùng Sau đó trộn bào tử

và cơ chất hoặc đất trong các ống nghiệm Dùng paraffin quấn quah nắp ống nghiệm để giúp cho ống giông không bị ẩm trở lại Cuối cùng bảo quản ống giống

ở -18C

- Bảo quản đông sâu: Trộn huyền phù tế bào vsv với dung dịch nhũ hóa như Glycerin 10% hoặc DMSO 5% Sau đó làm lạnh đông đến -40C 1C/phút Tiếp tục đông đến -90C 10C/phút Cuối cùng đưa vào bình chứa N2 lỏng để bảo quản

- Bảo quản đông khô: Trộn huyền phù tế bào với Skim milk 20% hoặc trehalose 5% + dextran 5%, sau đó làm đông đến -70C trong 1 giờ, tiếp tục đông đến -130C trong 15’ Cuối cùng đông khô ở -30C trong chân không để bảo quản

V Một số sản phẩm lên men truyền thống và hiện đại (Giáo trình)

VI + VIII Vấn đề khử trùng, kỹ thuật lên men và thu hồi sản phẩm lên men

20 Các phương pháp khử trùng

Phương pháp Cách tiến hành Ứng dụng

Nhiệt Autoclave 121C Thiết bị, các loại môi trường

bền nhiệt, các chất phá bọt

Lọc Màng lọc 0,22m, bông mỡ,

bông thủy tinh, vải lọc, các vật liệu đặc biệt

Các loại môi trường không bền nhiệt, không khí

Hóa chất (ít phổ

biến) Phenol và các hợp chất phenol,alcohol, các halogen, các chất

tẩy thuốc nhuộm, các ammonium bậc 4, các acid, kiềm, ethylene oxide,  -probilactone formadehyde

Các loại môi trường không bền nhiệt

21 Nguyên lý của các phương pháp khu nhận sinh khối

- Phương pháp ly tâm: dựa vào khối lượng riêng

- Phương pháp lọc: dựa vào kích thước

- Phương pháp lắng: dựa vào khối lượng riêng và kích thước

22 Nguyên lý của các PP thu nhận các sản phẩm trao đổi chất Vật liệu hay tác nhân được sd trong các PP này

- Sản phẩm được tiết ra môi trường: thu dịch lên men và kết tủa sau đó tinh sạch

Phương

Nguyên

lý

Dựa vào phản ứng trao đổi

ion

Dựa vào kích thước

Dựa vào ái lực giữa hai chất

Vật liệu Cation resin

Sulfonic acid,

Carboxylic

acid,

Phosphonic

Anion resin Amine bậc

2, bậc 4, Amonium bậc 4

Phức dextran (Sephadex và Sephacryl), phức agarose

(Sepharose)

Agarose, Cellulose,

Polyacrylamide

Ứng dụng

Tách các hợp

chất mang

điện tích

dương

Tách các hợp chất mang điện tích âm

Tinh sạch vacine Tinh sạch enzyme,

kháng thể và các protein

- Phá vỡ tế bào

Tác nhân

Đồng hóa áp suất cao 1200 bar

Lạnh đông_tan giá Nghiền bi (0,1-3mm)

Tạo áp suất thẩm thấu cao

Acid, kiềm, các chất tẩy (SDS, triton X-100…) Amonium bậc 4

Enzyme (lysozyme)

Ứng dụng Tinh sạch enzyme và một số protein