Ebook Kỹ thuật lên men công nghiệp 2016 (hoàng văn quốc chương)

Ebook Kỹ thuật lên men công nghiệp 2016 (hoàng văn quốc chương) Ebook Kỹ thuật lên men công nghiệp 2016 (hoàng văn quốc chương) Ebook Kỹ thuật lên men công nghiệp 2016 (hoàng văn quốc chương) Ebook Kỹ thuật lên men công nghiệp 2016 (hoàng văn quốc chương) Ebook Kỹ thuật lên men công nghiệp 2016 (hoàng văn quốc chương) Ebook Kỹ thuật lên men công nghiệp 2016 (hoàng văn quốc chương)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KỸ THUẬT LÊN MEN CƠNG NGHIỆP (Bản thảo) TS HỒNG VĂN QUỐC CHƯƠNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2016 MỤC LỤC Khái niệm lên men Ứng dụng trình lên men 2.1 Sản xuất sinh khối vi sinh vật 2.2 Sản xuất enzyme vi sinh vật 2.3 Sản xuất chất trao đổi vi sinh vật 2.4 Sản xuất sản phẩm tái tổ hợp 2.5 Hỗ trợ trình biến nạp .8 Q trình phát triển cơng nghiệp lên men CHƯƠNG ĐỘNG HỌC TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT QUÁ TRÌNH LÊN MEN TRONG 10 Phân loại phương pháp lên men 10 Phương pháp lên men mẻ 10 Phương pháp lên men liên tục 14 Phương pháp lên men mẻ-bổ sung (fed-batch) 16 Lên men mật độ cao 19 CHƯƠNG QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ LÊN MEN CƠNG NGHIỆP 20 Giới thiệu 20 Các cơng đoạn qui trình lên men 21 Hệ thống thiết bị liên quan đến qui trình lên men 29 CHƯƠNG MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 34 Giới thiệu 34 Thiết kế môi trường lên men 35 Các thành phần môi trường lên men 38 Đánh giá môi trường 52 Phương pháp đường hóa tạo dung dịch glucose từ tinh bột 52 Xử lý mật rỉ mía đường tạo dung dịch đường phục vụ cho lên men 54 CHƯƠNG KHỬ TRÙNG TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 56 Mục đích khử trùng lên men 56 Yêu cầu khử trùng 57 Phương pháp khử trùng 57 Động học chết vi sinh vật nhiệt 59 Khử trùng môi trường 62 5.1 Khử trùng theo phương pháp liên tục 63 5.2 Khử trùng theo phương pháp mẻ 66 Khử trùng nồi lên men 66 Lọc khơng khí 68 CHƯƠNG KIỂM SỐT NI CẤY 70 Kiểm soát tăng trưởng tế bào 70 Kiểm soát pH 74 Kiểm soát nhiệt độ 75 Kiểm sốt hàm lượng oxygen hịa tan mơi trường lên men 78 Kiểm soát tốc độ bổ sung mơi trường dinh dưỡng q trình lên men 82 Phá bọt trình lên men 85 Tạo bọt nhân tố gây tạo bọt 85 6.2 Những trở ngại gây nên bọt 86 6.3 Kiểm soát bọt 86 Theo dõi tính tốn kết lên men 89 1 Nồng độ sản phẩm 89 Sản lượng 89 Hiệu suất 90 CHƯƠNG TỐI ƯU HOÁ HỆ THỐNG LÊN MEN 95 Cải tiến giống 95 Cải tiến thiết bị 96 Tăng cường điều kiện thích hợp q trình nuôi cấy 96 Phương pháp thiết kế thí nghiệm để xác định điều kiện tối ưu cho lên men 102 CHƯƠNG NHIỄM TẠP KHUẨN VÀ NGUYÊN TẮC PHÒNG CHỐNG TẠP NHIỄM TRONG LÊN MEN 103 Hậu nhiễm tạp khuẩn 103 Phát tạp nhiễm 103 Nguyên nhân tạp nhiễm 104 Nguyên tắc phòng chống nhiễm lên men 105 Cách phát - đánh giá nguồn gốc tạp nhiễm 106 Một số điểm cần lưu ý truy tìm nguồn gốc gây tạp nhiễm 108 CHƯƠNG THU HỒI VÀ TINH CHẾ SẢN PHẨM LÊN MEN 109 Giới thiệu 109 Các phương pháp tách tế bào 113 2.1 Phương pháp lắng tủa 113 2.2 Phương pháp ly tâm 113 2.3 Phương pháp lọc 114 2.4 Phương pháp tạo bọt 118 Phương pháp phá màng tế bào 119 3.1 Phương pháp vật lý 119 3.2 Phương pháp hóa học 123 - Dùng dung môi 126 3.3 Phương pháp sinh học-Enzyme 126 Phương pháp thu hồi tinh sản phẩm 127 4.1 Phương pháp chiết lỏng - lỏng 127 4.2 Phương pháp thẩm tích 128 4.3 Phương pháp kết tủa 130 Phương pháp sắc ký tinh sản phẩm lên men 134 5.1 Sắc kí lọc gel (Gel Permeation Chromatography Size Exclusion Chromatography) 135 5.2 Sắc kí lực (Affinity Chromatography) 137 5.3 Phương pháp sắc ký trao đổi ion 138 CHƯƠNG 10 XỬ LÝ CHẤT THẢI CỦA QUI TRÌNH LÊN MEN 141 Giới thiệu xử lý chất thải phương pháp xử lý 141 1.1 Giới thiệu 141 1.2 Các phương pháp xử lý chất thải 143 Tiếp cận xử lý chất thải qui trình lên men công nghiệp 147 Triết lý “không phát thải” 148 CHƯƠNG 11 BÀI TẬP ÁP DỤNG 149 Bài tập 149 Bài giải 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO 157 PHẦN PHỤC LỤC 158 CHƯƠNG KHÁI NIỆM LÊN MEN VÀ ỨNG DỤNG Khái niệm lên men Thuật ngữ “lên men” bắt nguồn từ động từ “fervere” tiếng Latin, có nghĩa làm sôi bọt (nổi bọt), nhằm mô tả tượng hoạt động nấm men dịch chiết trái dịch chiết đại mạch Hiện tượng sôi bọt CO2 sinh phân giải hiếu khí loại đường có dịch chiết Tuy nhiên, nhà sinh hoá nhà sinh vật học thuật ngữ lên men cịn có ý nghĩa khác Về phương diện sinh hóa lên men có ý nghĩa liên quan đến sinh lượng trình phân giải hợp chất hữu cơ, đó, phương diện vi sinh vật học cơng nghiệp nghĩa lên men rộng Sự phân giải đường q trình oxy hố dẫn đến việc tạo thành phân tử pyridine nucleotides dạng khử sau phân tử lại tiếp tục bị oxy hố cho q trình Trong điều kiện hiếu khí, oxy hóa phân tử pyridine nucleotides diễn chuyển điện tử thơng qua hệ thống cytochrome mà oxygen đóng vai trị chất nhận điện tử cuối Tuy nhiên, điều kiện kỵ khí, oxy hoá pyridine nucleotides dạng khử diễn với khử hợp chất hữu mà thường sản phẩm trung gian trình phân giải Đối với trường hợp hoạt động nấm men dịch nước trái dịch chiết ngũ cốc, NADH hình thành nhờ khử acid pyruvic thành ethanol Các chủng vi sinh vật khác có khả khử pyruvate thành sản phẩm khác đa dạng Do vậy, thuật ngữ lên men sử dụng theo ý nghĩa sinh hóa q trình sinh lượng chất hữu đóng vai trị vừa chất cho vừa chất nhận điện tử Quá trình sinh tổng hợp alcohol nhờ tác động nấm men dịch chiết đại mạch dịch chiết trái thực với qui mô lớn từ lâu trở thành chất trao đổi vi sinh vật sản xuất công nghiệp Do vậy, nhà vi sinh vật học công nghiệp mở rộng khái niệm lên men để mô tả qui trình sản xuất mà sản phẩm sinh nhờ nuôi cấy vi sinh vật Việc sản xuất bia dung môi hữu xem trình lên men theo nghĩa sinh hoá học vi sinh vật học Trong tài liệu này, thuật ngữ lên men sử dụng theo nghĩa rộng bao hàm hai Cần phân biệt khái niệm: Chất cho điện tử Chất nhận điện tử cuối Lên men (sinh hố) Chất hữu Hơ hấp hiếu khí Chất hữu Hơ hấp kỵ khí Chất hữu Hợp chất hữu Oxygen Hợp chất vô (nitrate, sulphate) Thuật ngữ lên men mở rộng bao gồm ba khái niệm Ứng dụng trình lên men 2.1 Sản xuất sinh khối vi sinh vật Công nghiệp sản xuất sinh khối vi sinh vật chia thành hai qui trình (1) sản xuất nấm men dùng cơng nghiệp bánh mì, (2) sản xuất tế bào vi sinh vật dùng thực phẩm cho người cho động vật (protein đơn bào) Nấm men bánh mì sản xuất theo qui mô công nghiệp từ năm 1900 nấm men sản xuất dùng làm thực phẩm cho người Đức Đại chiến thứ I Tuy nhiên đến năm 1960 sản xuất sinh khối vi sinh vật khai thác mạnh mẽ Và từ năm 1970, qui trình sản xuất liên tục theo qui mơ lớn thiết lập đưa vào sản xuất sinh khối vi sinh vật phục vụ cho chăn nuôi thực phẩm cho người 2.2 Sản xuất enzyme vi sinh vật Enzyme thương mại sản xuất từ thực vật, động vật vi sinh vật Tuy nhiên, enzyme vi sinh vật có nhiều ưu vượt trội sản xuất với lượng lớn kỹ thuật lên men Bên cạnh đó, nhờ tiến kỹ thuật DNA tái tổ hợp nên sản xuất enzyme có nguồn gốc động vật chủng vi sinh vật Các enzyme dùng chủ yếu công nghiệp thực phẩm ngành cơng nghiệp có liên quan khác (Bảng 1) Q trình ni cấy vi sinh vật để sản xuất enzymes kiểm soát chặt chẽ Ngày nay, người ta sử dụng số kỹ thuật sinh học phân tử để tăng cường suất sản xuất chủng tăng cường chất cảm ứng, đột biến genes, hay kỹ thuật tái tổ hợp gene 2.3 Sản xuất chất trao đổi vi sinh vật Cùng với giai đoạn tăng trưởng, thay đổi trình ni cấy chủng vi sinh vật mô tả thông qua sản phẩm mà chúng sinh phase khác đường cong tăng trưởng Ở log phase, sản phẩm sinh chủ yếu phục vụ cho tăng trưởng tế bào, bao gồm amino acids, nucleotides, lipids, carbohydrates… Những sản phẩm xem sản phẩm sơ cấp biến dưỡng, phase gọi trophophase Rất nhiều sản phẩm sơ cấp có giá trị kinh tế cao ngày sản xuất phương pháp lên men (Bảng 2) Sự tổng hợp chất trao đổi sơ cấp chủng vi sinh vật hoang dại đủ cho nhu cầu tế bào chúng Do nhiệm vụ nhà vi sinh vật học công nghiệp phải cải biến chủng cung cấp điều kiện nuôi cấy cần thiết để cải thiện suất sinh tổng hợp chất Trong phase ổn định, số chủng tổng hợp hợp chất mà chúng không tổng hợp log phase, chất khơng có vai trị rõ ràng trình biến dưỡng tế bào chúng xem chất trao đổi thứ cấp, phase gọi idiophase Vi sinh vật tăng trưởng môi trường tự nhiên tốc độ thấp, điều khiến người ta cho rằng, tự nhiên idophase chiếm ưu trophophase Khơng phải tồn vi sinh vật có biến dưỡng thứ cấp, ví dụ trường hợp vi khuẩn Enterobacteriaceae khơng tìm thấy có sản phẩm thứ cấp Đơi khó để phân biệt sản phẩm sơ cấp hay thứ cấp động học sinh tổng hợp hợp chất định thay đổi tùy thuộc vào điều kiện ni cấy Vai trị sinh lý biến dưỡng thứ cấp tế bào vi sinh vật tranh luận nhiều, người ta quan tâm đến vai trò quan trọng chất trao đổi trung gian nhiều Có nhiều chất trao đổi thứ cấp có hoạt tính kháng khuẩn, enzyme ức chế, số chất thúc đẩy tăng trưởng nhiều chất có dược tính Do vậy, sản phẩm biến dưỡng thứ cấp hình thành nên sở nhiều qui trình lên men khác Cũng giống trường hợp chất trao đổi sơ cấp, chủng vi sinh vật hoang dại có khuynh hướng tổng hợp chất trao đổi thứ cấp với nồng độ thấp tổng hợp kiểm soát cảm ứng, ức chế dị hóa hệ thống phản hồi 2.4 Sản xuất sản phẩm tái tổ hợp Sự phát triển công nghệ DNA tái tổ hợp mở rộng tiềm ứng dụng công nghệ lên men, tạo sản phẩm lên men khác nhau, phục vụ cho sống người Các genes sinh vật bậc cao đưa vào tế bào vi sinh vật chủng có khả tổng hợp protein ngoại Có nhiều chủng vi sinh vật khác dùng làm tế bào chủ cho hệ thống biểu bao gồm E.coli, Sac cerevisiae nấm sợi Các sản phẩm sinh từ chủng biến đổi di truyền gồm: interferon, insulin, albumin huyết người, nhân tố tăng trưởng biểu bì, chymosin bê, somatostatin bò Khi thiết kế hệ thống biểu sản phẩm tái tổ hợp cần ý đến số vấn đề: tiết sản phẩm, giảm thiểu phân hủy sản phẩm kiểm sốt sinh tổng hợp tồn tiến trình lên men, tối ưu hóa biểu gene ngoại Bảng 1 Các ứng dụng enzyme thương mại Công nghiệp Ứng dụng Công nghiệp bánh mì Giảm độ nhớt trình nhào bột, tăng cường độ mềm xay bột mại, trì độ tươi bột Cải thiện cấu trúc, giảm thời gian trộn, tăng thể tích ổ Cơng nghiệp bia bánh mì Tăng cường độ nghiền nhừ Chống lại ảnh hưởng khí lạnh Cải thiện độ lọc tinh Cơng nghiệp ngũ cốc Xử lý thực phẩm ăn nhanh Trong chế biến socola Sản xuất dịch si-rô Coffee Lên men hạt cà-fé Trong xay café Làm chế phẩm cà-fé cô đặc Sản xuất lọai bánh kẹo Sản xuất lọai siro có hàm lượng maltose cao Siro bắp Sản xuất loại siro có số DE thấp Sản xuất glucose từ siro bắp Sản xuất siro fructose Sản xuất dịch thủy phân protein Chế biến sữa On định sửa bay Sản xuất sữa đặc, kem, thức ăn tráng miệng dạng động lạnh Sản xuất sữa thô Tách lọai glucose Trong chiên-xào Làm loại dịch Nước ép trái Loại oxygen Sử dụng làm chất tẩy Giặt ủi Thuộc da Chống mọc lông Thịt Làm mềm mại Amylase Enzyme Protease Amylase Protease b-glucanase Amylase Pectinase Pectinase Pectinase, hemicellulase Invertase, pectinase Amylase Amylase Amyloglycosidase Glucoseisomerase Protease Protease Lactase Protease Glucose oxidase Pectinase Glucose oxidase Protease, lipase Protease Protease Nguồn gốc Nấm Nấm/vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm Nấm/vi khuẩn Nấm Nấm Nấm/vi khuẩn Nấm Vi khuẩn Nấm Vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm Nấm men Nấm/vi khuẩn Nấm Nấm Nấm Vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm Trong y dược Hổ trợ tiêu hóa Chống đơng máu Trong thử nghiệm lâm sàng Tráng ảnh Thu hồi bạc từ film sử dụng Dịch thủy phân protein Trong sản xuất dịch thủy phân Tạo ổn định Chế biến thức uống Chống xắp xếp theo kích thước sợi Cơng nghiệp dệt Rau Các chế phẩm dạng soup nghiền nhừ Amylase, protease Steptokinase Numerous Protease Proteases Glucose oxidase, catalase Amylase Pectinase, amylase, cellulase Nấm Vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm Vi khuẩn Nấm Bảng Các sản phẩm sơ cấp biến dưỡng vi sinh vật ứng dụng thương mại Chất trao đổi sơ cấp Ethanol Citric acid Glutamic acid Lysine Nucleotides Phenylalanine Polysaccharides Vitamins Ý nghĩa thương mại Thành phần hoạt tính thức uống có cồn, sử dụng làm nhiên liệu thay xăng dầu Có nhiều ứng dụng công nghiệp thực phẩm Chất tăng vị Chất hổ trợ thực phẩm Chất tăng vị Chất tiền thân aspartame, chất gây Ứng dụng công nghiệp thực phẩm, tăng cường khả thu hồi dầu béo Chất hổ trợ thực phẩm 2.5 Hỗ trợ trình biến nạp Các tế bào vi sinh vật sử dụng để chuyển hợp chất vào cấu trúc liên quan có giá trị chúng có tác dụng chất xúc tác với tính đặc trưng vị trí lập thể cao Các trình vi sinh vật đặc trưng trình hóa học cho phép thêm, loại bỏ thay đổi nhóm chức vị trí đặc trưng định phân tử phức tạp mà khơng cần dùng đến hố chất Các phản ứng xúc tác enzyme bao gồm phản ứng khử hydrogen, phản ứng oxy hoá, phản ứng hydroxyl hoá, phản ứng khử nước, phản ứng khử carboxyl, amin hoá, khử amin, phản ứng chuyển vị Các trình chuyển hóa nhờ vi sinh vật cịn có thêm thuận lợi thực nhiệt độ áp suất phản ứng thấp, khơng địi hỏi chất xúc tác kim loại nặng Quá trình phát triển cơng nghiệp lên men Q trình phát triển công nghiệp lên men diễn qua năm giai đoạn mô tả Bảng Q trình phát triển ngành cơng nghiệp lên men trước giai đoạn 1900 mô tả giai đoạn 1, sản phẩm giai đoạn đơn giới hạn dạng alcolhol uống được, dấm ăn Bảng Q trình phát triển ngành cơng nghiệp lên men Dấm Alcohol Sản phẩm - Bằng gỗ, đạt đến 1500 barrels - Bằng đồng thau Bằng thùng phuy, khay hay lớp lọc chảy dịng Loại bồn Phương pháp ni cấy Dạng mẻ, fed-batch, Rất quan trọng liên tục Phát triển nuôi cấy liên tục dạng chảy tràn để nuôi cấy tế bào động vật Rất quan Sử dụng kỹ trọng thuật tái tổ hợp Rất quan Sử dụng kỹ trọng thuật di truyền Sử dụng giống Chọn lọc chủng lên men dấm tốt Nuôi cấy liên tục với việc hồi lưu môi trường nuôi Rất quan trọng cấy Hầu khơng có Khơng có Các thiết Chọn lọc giống bị pilot Nấm men Khơng có sử dụng Carlberg (1886) Sử dụng Trở nên chương trìnhđột thơng biến chọn lọc dụng Hầu khơng kiểm sốt Hầu khơng kiểm sốt Hầu khơng kiểm sốt Kiểm sốt chất lượng - Thơng thường dạng mẻ fed-batch - Phát triển nuôi cấy liên Rất quan trọng tục cho lên men bia vài chất trao đổi sơ cấp Dạng mẻ hệ thống fed- batch Dạng mẻ Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ, báo mực, Dạng mẻ trao đổi nhiệt Kiểm sốt q trình Bồn kim loại 200m3 cho sản xuất acetone/butanol Nấm men bánh mì, Sử dụng đầu dò pH, Sử dụng hệ thống phân phối 1900-1940 glycerol, citric acid, lactic đầu dị kiểm sốt Khuấy trộn sử dụng nhiệt độ acid, acetone/butanol trường hợp bồn lên men có kích thước nhỏ Pennicillin, Streptomicin Sử dụng đầu dò pH, kháng sinh khác DO Các bồn lên men có trang bị hệ gibberelin, trùng Sử dụng thống sục khí, vận hành 1940 đến amino acid, thiết bị kiểm điều kiện vơ trùng- nghĩa sốt mà sau có nucleotides, bồn lên men chất chuyển hố, thể kiểm sốt enzyme máy tính Sử dụng máy tính Sinh khối đơn bào, Các bồn lên men chịu áp lực, kiểm 1964- protein, hydrocarbon, thiết kế để giải vấn sốt thơng số chất phục vụ chăn ni đề trao đổi khí, nhiệt độ vận hành Sản xuất protein khác Sử dụng nồi lên men phát Phát triển điều dòng (heterologous) vi triển giai đoạn 3, Và kiện kiểm soát sinh vật tế bào động vật, phát triển thêm nồi nuôi cấy tế đầu dò 1979- Sản xuất kháng thể đơn giai đoạn 3, bào động vật dòng tế bào động vật Trước 1900 Giai đoạn Hình 10.3 Qui trình xử lý chất thải phương pháp hiếu khí qua hệ thống bùn hoạt tính Phương pháp xử lý yếm khí Xử lý yếm khí trình sinh học phân hủy chất hữu nước thải điều kiện yếm khí Q trình sinh khí CH4, CO2, NH3 sản phẩm vơ khác Xử lý yếm khí đựơc thực nhằm giải chất thải hữu bao gồm số lý sau: - Tăng cường khả xử lý giai đoạn hiếu khí - Giảm định mức sử dụng điện đơn vị BOD - Sản phẩm cuối trình xử lý hữu ích bùn tiêu hủy - Các chất hữu cố định theo dạng ổn định - Có biến đổi đặc tính kết hợp nước làm cho bùn dễ bị khử nước - Lượng vi sinh vật bùn hoạt tính giảm dễ kiểm soát bùn - Mức độ phát triển vi sinh vật thấp không cần bổ sung chất dinh dưỡng thiếu nước thải Q trình chuyển hóa giai đoạn xử lý yếm khí bao gồm: + Q trình phân hủy (hydrolysis): thủy phân chất có phân tử lượng cao thành monomer polymer có phân tử lượng thấp nhờ hệ enzyme tế bào vi sinh vật 146 + Q trình acid hóa (Acidogenesis): vi sinh vật lên men sản phẩm trình thủy phân thành chất dễ bay acetic acid, formic acid, propionic acid, rượu, NH3, CO2, H2… + Q trình acetate hóa (Acetogenesis): chuyển hóa sản phẩm q trình acid hóa thành acetic acid để thuận lợi việc methane hóa + Q trình methane hóa (Methanogenesis): phân hủy chất đơn giản giai đoạn trước thành CH4 CO2 Tiếp cận xử lý chất thải qui trình lên men cơng nghiệp Ví dụ trường hợp qui trình lên men sản xuất amino acid phục vụ cho lãnh vực thực phẩm Các nguyên liệu sử dụng có nguồn gốc tự nhiên tinh bột khoai mì (để đường hóa thành glucose), mật rỉ mía đường nguyên liệu phụ MgSO4, urea, H3PO4, vitamin… Điều cần lưu ý qui trình lên men, đặc biệt lên men lãnh vực thực phẩm toàn nguồn nguyên liệu đưa vào sử dụng an tồn khơng chứa chất độc hại đạt tiêu chuẩn thực phẩm (food grade) Do vậy, tất nguồn phát thải (nếu có) thành phần chất thải không tồn chất gây độc hại (ví dụ kim loại nặng, cyanua…) Liệt kê phân loại chất thải phát sinh trình lên men Chất thải rắn: Nguyên liệu rắn rơi vãi, vỏ bao bì chứa nguyên liệu (bao giấy, bao nylon ) Chất thải lỏng: Các ngun liệu dạng lỏng bị rị rỉ, dịch mơi trường sau lên men thu hồi sản phẩm bao gồm sinh khối tế bào vi sinh vật…, loại dịch NaOH, H2SO4 loãng dùng để vệ sinh thiết bị … Xác định tiêu chuẩn cần xử lý Xử lý chất thải đạt theo tiêu chuẩn qui định Việt nam Chọn lựa phương pháp xử lý thích hợp Đối với chất thải rắn: a Các nguyên liệu rắn rơi vãi: thu gom pha loãng, tận dụng b Các bao bì: phân loại bán phế liệu để tái chế Đối với chất thải lỏng: a Đối với nguyên liệu dạng lỏng bị rò rỉ: xử lý rò rỉ; thu gom đưa trạm xử lý nước thải b Đối với dịch lên men chứa sinh khối tế bào sau thu hồi sản phẩm: tận dụng theo hai hướng: b1 Dùng làm phân bón dạng lỏng: Bổ sung thành phần dinh dưỡng định cần thiết cho trồng, điều chỉnh pH hàm lượng N, P, K phù hợp sử dụng để bón cho trồng 147 b2 Dùng làm nguồn đạm cung cấp cho chế biến thức ăn chăn nuôi gia súc: Tiến hành tách sinh khối tế bào sấy để giảm độ ẩm đến mức định Sản phẩm sinh khối tế bào sau sau sử dụng làm nguồn nguyên liệu quí cung cấp để chế biến làm thức ăn cho chăn nuôi gia súc cho lĩnh vực nuôi trồng thủy sản Triết lý “không phát thải” Với hiệu “khơng phát thải” (Zero emission) qui trình sản xuất, nhiều công ty áp dụng chương trình zero emmission mặt nhằm giảm thiểu gánh nặng xử lý chất thải không thân thiện với môi trường, mặt giúp làm giảm chi phí sản xuất Chất thải phát sinh qui trình sản xuất suy cho từ nguyên-vật liệu đầu vào sử dụng không hiệu tạo Lượng chất thải phát sinh qui trình nhiều đồng nghĩa với nguồn nguyên vật liệu thất thoát cao Do đó, việc giảm thiểu nguồn phát thải giúp tiết kiệm nguồn nguyên vật liệu đồng thời giảm chi phí xử lý chất thải phát sinh giúp hạ giá thành sản xuất sản phẩm Để đạt điều cần phải đầu tư cho việc cải tiến công nghệ để tăng hiệu sản xuất trình quản lý chuỗi sản xuất từ khâu thu mua nguyên vật liệu, hoạch định tạo sản phẩm đến khâu cung cứng sau Ngoài ra, số trường hợp, chất thải phát sinh trình cần phải tìm cách tái chế/ tái sử dụng để vừa làm giảm chi phí xử lý vừa tạo giá trị gia tăng cho chất thải 148 CHƯƠNG 11 BÀI TẬP ÁP DỤNG Bài tập Bài Trong thí nghiệm ni cấy nấm men để thu sinh khối theo phương pháp mẻ Theo yêu cầu, lượng sinh khối thu phải đạt tấn/mẻ thời gian nuôi cấy 30 Hiệu suất tổng hợp sinh khối 56%, thể tích dịch lên men 100 KL, tỷ lệ nạp giống 0,1% (t/KL), nồng độ đường glucose lại 0,5 g/dl a Lượng đường cần thiết đưa vào hệ thống để thu nhận đủ lượng sinh khối trên? b Tính  trung bình c trình c Với nồng độ rượu đo sau trình lên men 3% (v/v), cho biết tốc độ sản xuất rượu đặc trưng nấm men thí nghiệm (d EtOH: 0,789 g/ml) Bài Trong nuôi cấy theo phương pháp fed-batch thu nhận sản phẩm amino acid chủng vi khuẩn, người ta thực nồi lên men với thể tích mơi trường ban đầu 50 KL, nồng độ đường glucose ban đầu mơi trường 2,0 g/dl Thể tích nồi lên men 100 KL, với công suất tới hạn 80%, D trung bình 0,0375 hr-1 Lúc ngừng qui trình, nồng độ sản phẩm 3,6 g/dl, nồng độ sinh khối cb = 1,2 g/dl, hiệu suất tổng hợp tế bào 20% Thời gian nạp liệu cho hệ thống? Tính nồng độ đường dịch nạp vào hệ thống Hãy tính hiệu suất sinh sản phẩm? Biết rằng, hàm lượng C sản phẩm 42% Hãy nhận xét hiệu suất sử dụng carbon hữu ích mẻ lên men nói 149 Bài Kết theo dõi tiến trình lên men thu nhận amino acid chủng vi khuẩn theo phương pháp fed-batch ghi nhận theo bảng sau (Bảng 11.1) Thể tích dịch lên men bắt đầu ni cấy V0=20 KL, nồng độ đường nạp bổ sung cf = 25 g/dl Hãy nhận xét tốc độ tăng trưởng đặc trưng chủng theo giai đoạn Nhận xét hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm tiến trình (thực tế) Hiệu suất tế bào theo giai đoạn ni cấy, Có nhận xét gì? Bảng 11.1 Số liệu theo dõi trình lên men CT cb cp sr [Hr] [g/dl] [g/L] [g/dl] 10 12 14 16 18 20 0.20 0.30 0.50 1.10 1.33 1.39 1.45 1.44 1.43 1.42 1.40 1.0 6.5 11.0 22.5 30.0 38.5 45.0 50.0 55.0 58.5 60.5 5.00 2.50 0.90 0.40 0.30 0.35 0.20 0.32 0.40 0.30 0.10 Sf [t] 0.00 0.00 0.00 1.20 1.70 1.90 2.30 2.50 2.60 2.67 2.70 Ghi chú: CT: thời gian nuôi cấy; cb: nồng độ sinh khối; Sf: lượng đường nạp bổ sung tích lũy; cp: nồng độ sản phẩm; sr: nồng độ đường cịn lại mơi trường ni cấy Bài Trong ni cấy sản xuất bia với thể tích 30 KL, người ta ghi nhận có tạp nhiễm xảy nuôi cấy thứ 22 26 số lượng tế bào tạp nhiễm tương ứng 23 481 ml dịch nuôi cấy Hãy tính tg (thời gian hệ) chủng tạp nhiễm Ở thời điểm trình ni cấy, người ta bắt đầu có khả phát tạp nhiễm đĩa pettri (1 ml) 150 Bài Tạp nhiễm xảy từ lúc nào? Khi dừng nuôi cấy (giờ thứ 30), có tế bào tạp nhiễm ml dịch Trong qui trình lên men sản xuất glutamic acid sử dụng glucose làm nguồn carbon Cứ mol glucose sử dụng để chuyển thành glutamic acid có 193,4 Kcal nhiệt lượng phóng thích mơi trường nuôi cấy, cần dùng nước giải nhiệt để kiểm soát nhiệt độ hệ thống Biết nhiệt độ nguồn nước giải nhiệt cấp vào 28oC, sau thoát khỏi hệ thống 31oC, thiết diện trao đổi nhiệt 20 m2 Lượng đường tiêu thụ thời điểm cao t/hr Hãy tính lưu lượng nước giải nhiệt tối thiểu cần thiết để kiểm sốt nhiệt độ ni cấy (37oC) Tính hiệu suất trao đổi nhiệt thiết bị Bài giải Bài Tóm tắt: Lên men phương pháp mẻ; X = t/B, Yx/s = 56%, Vinn = 100 KL; Tỷ lệ nạp giống Is = 0,1 %, thời gian nuôi cấy CT = 30 giờ, nồng độ đường glucose lại sr = 0,5 g/dl Lượng glucose cần Do Yx/s = X/Su, , Su lượng đường sử dụng  Su = X/Yx/s = 5/0,56 = 8,93 t Sr = sr×V = 0,5.10-2 (t/KL) × 100KL = 0,5 t S = Su + Sr = 8,93 + 0,5 = 9,43 t Tốc độ tăng trưởng đặc trưng: Với tỷ lệ nạp giống 0,1 % (t/KL) cho nồi lên men tích dịch 100KL lượng sinh khối ging mm Xo= 0,1/100 ì 100 = 0,1 t = (LnX/X0)/t = (Ln(5/0,1)/30 = 0,130 hr-1 Lượng ethanol tổng hợp được: P = cp × V × d = 3% × 100 KL × 0,789 g/ml = 2,367 t Yp/x = P/X = 2,367t/5t = 47,34% Ta có tốc độ sản xuất ethanol đặc trưng ρ = µ × Yp/x  ρ = 0,130 × 0,4734 = 0,062 hr-1 Bài 151 Tóm tắt: Fed-batch, Vo = 50 KL, si = 2,0 g/dl, Vfer = 100 KL, f = 0,8; Độ pha lỗng trung bình Daver = 0,0375 hr-1, cp = 3,6 g/dl, x = 1,2 g/dl, Yx/s = 20% Thời gian nạp liệu Vinn = 100 × 0,8 = 80 KL, Vf = 80 - 50 = 30 KL, Daver = Faver / V  F = D × V = 0,0375 × 80 = KL/Hr, Do vậy, Tf = 30/3 = 10 Nồng độ đường feed Tổng đường feed: Sf = Su - Si = (1,2 × 80/0,2 - 2,0 × 50)/100 = 3,8 t cf = 3,8/30 = 12,67 g/dl Hiệu suất sinh thổng hợp sản phẩm P = 3,6× 80 = 2,88 t Yp/s = P/Su = 2,88/4,8 = 60% Hiệu sử dụng carbon hữu ích Lượng carbon sử dụng C = × 12/180 × 4,8t = 1,92 t Lượng C sản phẩm = 42/100 × 2,88 = 1,21 t Lượng C sinh khối = 12/24,6 × 1,2 × 80/100 = 0,467 t Hiệu sử dụng carbon = (1,21 + 0,467)/1,92 × 100 = 87,4% Nhận xét: Hiệu suất sử dụng carbon hữu ích 87,3%, phần carbon khơng tham gia cấu tạo vào sản phẩm mục tiêu sinh khối Điều (1) Một phần carbon thất thoát CO2 sinh trình lên men, (2) phần carbon tham gia cấu trúc sản phẩm phụ, (3) phần carbon tham gia cấu trúc sinh khối lượng sinh khối tế bào bị chết, q trình lên men nên khơng nhận diện để tính tốn Cũng bàn phải bàn bạc thêm rằng, lượng carbon đầu vào trường hợp tính lượng glucose thực tế mơi trường, nhiên mơi trường ban đầu có thành phần khác có chứa carbon meat extract, yeast extract,…nên lượng C thực chất lớn lượng tính tốn Bài Tóm tắt: Lên men theo phương pháp fed-batch; Vo = 20 KL; cf = 25 g/dl Vinn: Thể tích dịch nồi lên men; Vinn = Vo + Vf 152 Vf: Thể tích dịch đường nạp bổ sung vào q trình ni cấy; Vf = Sf/cf Su: Lượng đường sử dụng; Su = So + Sf - Sr So: Lượng đường mơi trường lúc bắt đầu ni cấy, So = sVo; so = sr thời điểm bắt đầu nuôi cấy Sr: Lượng đường cịn lại q trình ni cấy; Sr = sr × Vinn P: Lượng sản phẩm thu được; P = cp × Vinn B: Lượng sinh khối thu được; B = cb × Vinn T ốc– đlnBt1)/(t2 – t1) ộ tăng trư t2 Hiệu suất sản phẩm tiến trình Yp/s = (Pt - Po)/(Sut - Su0) × 100 Hiệu suất sinh khối theo giai đoạn Yb/sHr = (Bt2 - Bt1)/(Sut2 - Sut1) × 100 Bảng 11 Tính tốn đánh giá kết lên men CT cb cp sr Sf [Hr] [g/dl] [g/L] [g/dl] [t] 10 12 14 16 18 20 0.20 0.30 0.50 1.10 1.33 1.39 1.45 1.44 1.43 1.42 1.40 1.0 6.5 11.0 22.5 30.0 38.5 45.0 50.0 55.0 58.5 60.5 5.00 2.50 0.90 0.40 0.30 0.35 0.20 0.32 0.40 0.30 0.10 0.00 0.00 0.00 1.20 1.70 1.90 2.30 2.50 2.60 2.67 2.70 Vf Vinn Sr Su P B [KL] [KL] [t] [t] [t] [t] 0.00 0.00 0.00 4.80 6.80 7.60 9.20 10.00 10.40 10.68 10.80 1.00 0.50 0.18 0.10 0.08 0.10 0.06 0.10 0.12 0.09 0.03 0.00 0.50 0.82 2.10 2.62 2.80 3.24 3.40 3.48 3.58 3.67 0.02 0.13 0.22 0.56 0.80 1.06 1.31 1.50 1.67 1.79 1.86 0.04 0.06 0.10 0.27 0.36 0.38 0.42 0.43 0.43 0.44 0.43 20.0 20.0 20.0 24.8 26.8 27.6 29.2 30.0 30.4 30.7 30.8 µ Yp/s Yb/sHr [hr-1] [%] [%] 0.000 0.203 0.255 0.502 0.134 0.037 0.049 0.010 0.003 0.001 -0.005 ║ 22.00 24.39 25.61 29.93 37.19 39.92 43.48 47.49 49.60 50.24 ║ 4.00 12.50 13.49 16.12 14.80 9.07 5.30 3.66 0.94 -4.88 153 Nhận xét: Tốc độ tăng trưởng đặc trưng chủng tăng mạnh giai đoạn đầu (lag phase) sau bắt đầu nuôi cấy đạt cực đại nuôi cấy thứ 6, sau giảm mạnh dần đến ni cấy thứ 14 Từ nuôi cấy thứ 16 trở đi, chủng không tăng trưởng, tỷ lệ tế bào sinh (nếu có) thấp tỷ lệ tế bào nên tốc độ tăng trưởng đặc trưng có giá trị âm vào giai đoạn cuối q trình ni cấy Như vậy, mục đích lên men để thu sinh khối nên dừng mẻ lên men khoảng thời gian nuôi cấy trước tiếng thứ 16 154 Hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm tăng dần liên tục theo thời gian nuôi cấy Khi kết thúc nuôi cấy hiệu suất tiếp tục tăng nhiên mức độ tăng chậm Điều cho thấy ni cấy dài để thu thêm sản phẩm Hiệu suất sinh tổng hợp tế bào ban đầu thấp sau tăng mạnh log pha đạt cực đại (15%) giai đoạn từ thứ 7-10 Sau 10 nuôi cấy, hiệu suất sinh tổng hợp sinh khối bắt đầu giảm mạnh kết thúc qui trình lên men Bài Tóm tắt: Vo = 30KL, CT22 = 23 tế bào, CT26 = 481 tế bào Ta có: N = No × 2n No, N số tế bào tạp nhiễm ghi nhận thời điểm nuôi cấy 22 26 giờ, n số hệ tế bào tạp nhiễm sinh khoảng thời gian từ nuôi cấy thứ 22 đến 26  n = log2(N/No) = log2(481/23) = 4,4 tg = T/n, với tg thời gian hệ, T thời lượng cần thiết để tế bào tạp nhiễm sinh qua n hệ  tg = (26 - 22) × 60/4,4 = 55 phút Khả phát tạp nhiễm đĩa pettri ml dịch ni cấy có chứa tế bào Số hệ tế bào tạp nhiễm tính từ lúc có khả phát đến lúc thời gian nuôi cấy 22 là: n = log2(23/1) = 4,5; Thời lượng (T) từ lúc có tế bào tạp nhiễm đến ni cấy thức 22: T = 4,5 × 55/60 = Như vậy, lúc 22 - = 18 có khả phát tạp nhiễm Tạp nhiễm xảy nuôi cấy thứ mấy? Đánh giá số lượng tế bào tạp nhiễm lúc bắt đầu ni cấy: N18 = No × 2n với n số hệ sau 18 giời nuôi cấy  No = N18/2n = × 30 × 106 / 2(18×60/55) = 38 tế bào Như vậy, thời điểm bắt đầu ni cấy xảy tượng tạp nhiễm Khi dừng nuôi cấy thời điểm dừng nuôi cấy, thứ 30: N30 = N22 × 2n, với n = T/tg = (30 - 22) × (60/55) = 8,73; 155  N30 = 23 × 28,73 = 9.766 tế bào Trong trường hợp tính từ CT26: N30 = 481 × 2(30-26)×60/55 = 9.905 tế bào Tại có khác biệt này? Nguyên nhân (1) sai số cách lấy mẫu; (2) tg chủng tạp nhiễm giống q trình ni cấy Bài Tóm tắt: T1 = 28oC, T2 = 31oC, T3 = 37, A = 20 m2, Su max = 2,0 t/Hr Ta có phương trình: Glucose + [O] + [N] + …  [P] + CO2 + … + 193,4 Kcal MW glucose: 180 g Năng lượng sinh đồng hóa glucose để tổng hợp glutamic acid thời điểm tốc độ đồng hóa tối đa là: Q1 = 2,0/180 × 193,4 = 2,149 Gcal/hr Mặt khác ta có: Q2 = m × c × delT với Q2 nhiệt lượng cần phải giải phóng khỏi nồi lên men để trì nhiệt độ ni cấy, m khối lượng nước giải nhiệt cần thiết để giải hết lượng nhiệt Q2, c nhiệt dung riêng nước c = kcal/kg.độ; DelT = (T2 - T1) Để toàn lượng nhiệt sinh giải phóng hết Q1 = Q2 Khi m × c × DelT = 2,149  m = 2,149/[1 × (31 - 28)] = 716,3 KL/hr Hiệu suất trao đổi nhiệt Ta có: U= Q A × ∆Tm Trong đó: ∆Tm (Hiệu suất trao đổi nhiệt, Mcal/hr.m2.0C) Do vậy: = (T − T 1) − (T − T 2) (T − T 1) Ln (T − T 2) = (31-28)/[Ln(37-28)/(37-31)] = 7,40oC U = 2,149/[20 × 7,40] = 14,52 Mcal/hr.m2.0C 156 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh Stanbury, Whitaker and Hall, 1995 Principles of fermentation technology, Second edition, Pergamon Mardigan, Martinko, Parker, 2000 Brock Biology of Microorganisms, Ninth edition, Prentice Hall Arnold L Demain, Julian E Davies, Ronald M Atlas, Gerald Cohen, Charles L Hershberger, Wei-Shou Hu, David H Sherman, Richard C Willson, J H David Wu, 1999 Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology, second edition, ASM press, Washington DC Henry C Vogel, Celeste L Todaro, Celeste C Todaro, 1997 Fermentation and Biochemical Engineering Handbook: Principles, Process Design, and Equipment, Noyes Publications, USA Visvanathan, 2004 Physico-Chemical Processes, Environment Engineering & Management, Asian Institute of Technology Tarun K Ghose, Bioprocess computations in biotechnology, Volume 1, Ellis Horwood G.M.A Van Beynum, J.A Roles, Starch Conversion Technology, Marcel Darker Inc., 1985 Avinash Gupta, 2003, Hand book of chemical engineering calculation Nduka Okafor, 2007, Modern industrial and biotechnology 10 Brian Mc Neil and Linda M Harvey, 2008, Practical fermentation technology Tiếng Việt Nguyễn Lân Dũng, Bùi Thị Việt Hà, Môi trường nuôi cấy Dương Văn Hợp, Nguyễn Lân Dũng, giới thiệu số kỹ thuật bảo quản vi sinh vật- Vietsciences Lê Gia Huy, Khuất Hữu Thanh, 2010, Cơ sở công nghệ vi sinh vật ứng dụng Trần Thị Thanh, 2003, Công nghệ vi sinh Lê Xuân Phương, 2001, Vi sinh vật công nghiệp, Nxb Xây Dựng, Hà Nội Trần Linh Thước, 2003, Phương pháp phân tích vi sinh vật nước, thực phẩm mỹ phẩm, Nxb Giáo Dục Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945: 2005, Nước thải công nghiệp – Tiêu chuẩn chất thải, xuất lần 2, Hà nội 2006 157 PHẦN PHỤC LỤC Phụ lục Hình ảnh thiết bị liên quan hệ thống lên men Phụ lục Tiêu chuẩn nước thải Việt Nam (TCVN 5945: 2005) TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Thông số Đơn vị Nhiệt độ pH Mùi Màu sắc, Co-Pt pH=7 oC - BOD5 (20o C) COD Chất rắn lơ lửng Arsen Thuỷ ngân Chì Cadimi Crome (VI) Crome (III) Đồng Kẽm Niken Mangan Sắt Thiếc Xianua Phenol Dầu mỡ khoáng Dầu thực vật Clo dư PCBs Hoá chất bảo vệ tực vật: Lân hữu Hoá chất bảo vệ tực vật: Clo hữu Sufua Florua Clorua Amoni (tính theo Nitơ) Tổng nitơ Tổng phốtpho Coliform mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L MPN/100ml 35 Xét nghiện sinh học (Bioassay) 36 Tổng hoạt động phóng xa α 37 Tổng hoạt động phóng xa β Bq/l Bq/l Giá trị giới hạn A B C 40 40 45 6-9 5,5-9 5-9 Khơng khó chịu Khơng khó chịu 20 50 30 50 50 80 50 100 0.05 0.1 0.005 0.01 0.1 0.5 0.005 0.01 0.05 0.1 0.2 2 3 0.2 0.5 0.5 1 0.2 0.1 0.07 0.1 0.5 5 10 20 0.003 0.01 0.3 0.1 0.1 0.2 0.5 10 500 600 10 15 30 3000 5000 90% cá sống sót sau 96 100% nước thải 0.1 0.1 1 100 400 200 0.5 0.01 0.5 0.5 5 10 0.2 10 30 15 1000 15 60 - 158 Phụ lục Bảng mối quan hệ áp suất nhiệt độ nước Áp suất Nhiệt độ Nhiệt hố Thể tích riêng Tỷ trọng Thể tích riêng, m /kg kg/cm 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 o C 99.1 119.6 132.9 142.9 151.1 158.1 164.2 169.6 174.5 179.1 187.1 194.1 200.4 206.1 211.4 216.2 220.7 225.0 229.0 232.7 kcal/kg 638.8 646.2 650.6 653.7 656.0 657.0 659.5 660.8 661.9 662.9 664.5 665.7 666.7 667.4 668.0 668.4 668.7 669.0 669.1 669.2 m /kg 1.725 0.902 0.617 0.471 0.382 0.321 0.278 0.245 0.219 0.198 0.166 0.143 0.126 0.112 0.101 0.092 0.085 0.078 0.073 0.068 o kg/m 250 C 0.580 2.454 1.109 1.223 1.621 0.812 2.123 0.607 2.618 0.484 3.115 0.402 3.597 0.343 4.082 0.299 4.566 0.265 5.051 0.238 6.024 0.196 6.993 0.167 7.937 0.145 8.929 0.128 9.901 0.114 10.870 0.103 11.765 0.093 12.821 0.085 13.699 0.078 14.706 0.072 o 300 C 2.691 1.342 0.893 0.668 0.533 0.443 0.379 0.331 0.293 0.263 0.218 0.186 0.162 0.143 0.128 0.116 0.106 0.097 0.089 0.083 (http://www.instrumentation.co.za/article.aspx?pklarticleid=626) 159 Phụ lục 4: Các sưu tập chủng giống vi sinh vật hàng đầu giới Ở Anh: - National Collection of Type Cultures (NCTC) - National Collections of Industrial and Marine Bacteria Ltd (NCIMB) - Natonal Collection of Yeast Cultures (NCYC) - Collection of International Mycological Institute (IMI) Ở Mỹ: - American Type Culture Collection (ATCC) Ở Đức: - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zelkulturen (DSM) Ở Hà Lan: - Centraalbureau voor Schimmelcultures (CBS) Ở Cộng hoà Séc: - Czechoslovak Collection of Microorganisms (CCM) Ở Pháp - Collection Nationale de Cultures de Microorganisms (CNCM) Ở Nhật - Japan Collection of Microoranisms (JCM) - Culture Collection of the Institute for Fermentation (IFO) 160