Bài giảng Công nghệ lên men 1

CƠNG NGHỆ LÊN MEN I Q trình thiết bị lên men cơng nghiệp NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 1: Khái quát công nghệ lên men TS NGUYỄN ĐỨC KHUYẾN Chương 2: Thiết bị lên men Chương 3: Truyền nhiệt – truyền chất Chương 4: Khuấy trộn & Sục khí Chương 5: Tiệt trùng Chương 6: Đo lường & Điều khiển -3- CÔNG NGHỆ LÊN MEN I - Quá trình thiết bị lên men cơng nghiệp TÀI LIỆU HỌC TẬP    Cung cấp kiến thức số mặt chủ yếu kỹ thuật lên men quy mô công nghiệp:  Sự vận hành trình lên men Sự hoạt động thiết bị dùng trình lên men  Nguyên lý trình thiết bị dùng  trình lên men -2- Bài giảng Q trình thiết bị lên men cơng nghiệp Hall, Stephen J Stanbury, Peter F Whitaker, Allan Principles of Fermentation Technology-Butterworth Heinemann, 2017 Pauline M Doran, Bioprocess Engineering Principles, Second Edition-Academic Press (2012) Hoàng Văn Quốc Chương, Kỹ Thuật Lên Men Công Nghiệp, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh http://www.hoctp.com/qt-tb-len-men Celeste M Todaro, Henry C Vogel, Fermentation and Biochemical Engineering Handbook, Third Edition-William Andrew (2014) -4- What is fermentation?    ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Quá trình: 20% Thực hành: 20% Kiểm tra – đánh giá cuối kỳ: 60% LIÊN HỆ TS NGUYỄN ĐỨC KHUYẾN ĐTDĐ: 0967310274 Email: khuyenguyen@hcmuaf.edu.vn Facebook: Khuyen ND Page thông tin: https://www.facebook.com/NgDKhuyen/ -5- Công nghệ sinh học ứng dụng phối hợp khoa học công nghệ việc sử dụng tác nhân sinh học để xử lý nguyên liệu nhằm tạo sản phẩm dịch vụ  Cơ sở khoa học công nghệ sinh học nhiều ngành khoa học khác nhau, trội sinh học hóa sinh  Xem trọng "cơng nghệ": xem xét suất, chi phí; đo lường, điều khiển đóng vai trị quan trọng  Tác nhân sinh học sử dụng: vi sinh vật, tế bào, enzym, gen,  Nguyên liệu: chất hữu cơ, vô cơ, có nguồn gốc tự nhiên nhân tạo  Sản phẩm: thực phẩm, dược phẩm, nhiên liệu để sản xuất lượng, thức ăn cho gia súc,  Do có yêu cầu khắt khe, nên thường áp dụng cho quy mô "lớn" -7- Fermentation technology Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ LÊN MEN Công nghệ lên men thành phần công nghệ sinh học, tác nhân sinh học sử dụng vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men, nấm mốc) Như ta xem lên men biến đổi nguyên liệu tác động vi sinh vật Fermentation technology is the use of organisms, grown on a large scale, to produce valuable commercial products or to carry out important chemical transformations (food, pharmaceuticals and alcoholic beverages) What is fermentation? Thuật ngữ "lên men" tiếng Anh hay Pháp (hoặc số ngôn ngữ khác) fermentation có nguồn gốc từ tiếng La tinh "fervere" có nghĩa sơi hay "ferveo" có nghĩa sủi bọt Lý thuật ngữ đời người ta quan sát trình lên men rượu thấy dịch nho bị sủi bọt khí CO2 khỏi dịch nho giống nước sôi What is fermentation?   Lĩnh vực công nghệ vi sinh vật (VSV): q trình chuyển hóa chất tế bào VSV kèm theo phát triển sinh khối tổng hợp sản phẩm trao đổi chất (lên men hiếu khí/kỵ khí  q trình ni cấy VSV diễn điều kiện có/khơng có oxy) Lên men hiểu chuyển hóa carbohydrate vài hợp chất hữu khác thành hợp chất tác dụng enzyme vi sinh vật tạo Như vậy, tác nhân q trình lên men tế bào vi sinh vật, enzyme chúng chế tạo thành dạng chế phẩm -9- - 11 - What is fermentation? What is fermentation? Khái niệm lên men (fermentation) hiểu theo nghĩa khác nhau: - Lĩnh vực vi sinh vật học:  Là trình sinh tổng hợp lượng (ATP) tế bào sinh vật từ hợp chất hữu điều kiện khơng có oxy;  Là trình sinh tổng hợp lượng tế bào khơng có sư tham gia chuỗi hơ hấp Trên sở đó, vài q trình sinh tổng hợp ATP diễn điều kiện kỵ khí có tham gia chuỗi hơ hấp chuỗi hô hấp nitrate, hô hấp sulfate vi khuẩn Pseudomonas, Desulfovibrio… - 10 - Biochemistry (biological chemistry): The term “fermentation” means an energy-generation process by the catabolism of organic compounds Glycosis, pentosephosphate or Entner - Doudoroff Industrial microbiology: the term “fermentation” describes any process for the production of product by the mass culture of a microorganism - 12 - Aerobic Cellular Respiration FERMENTATION b Ethanol fermentation  Hô hấp hiếu khí theo đường đường phân – chu trình Crebs đường hơ hấp tế bào Electron transport chain (aerobic) 1.Đường phân tiến hành tế bào chất Consume ATPs Produce ATPs Chu trình Crebs tiến hành chất ty thể Krebs cycle (aerobic) Chuỗi hô hấp tiến hành màng ty thể Glycolysis: One glucose molecule breaks down into two pyruvate molecules Lactic acid fermentation: the pyruvic acid from glycolysis is used to oxidize the NADH to produce lactic acid and NAD+, allowing glycolysis to continue to make ATP in low-oxygen conditions Ethanol fermentation: The two pyruvates are broken down into two acetaldehyde molecules and give off two CO2 molecules as a waste product The acetaldehyde is then reduced into ethanol using the energy and hydrogen from NADH; in this process the NADH is oxidized into NAD+ so that the cycle may repeat - 15 - What is fermentation  Anaerobic Cellular Respiration In anaerobic cellular respiration, the only step of this process that occurs is glycolysis  It is a process by which the living cell is able to obtain energy through the breakdown of glucose and other simple sugar molecules without requiring oxygen Fermentation results in the production of energy in the form of two ATP molecules, and produces less energy than aerobic process of cellular respiration Fermentation is also used more broadly to refer to the bulk growth of microorganisms on a growth medium often with the goal of producing a specific chemical product Fermentation - History Bacterial Fermentation Products of Pyruvate  The end products of fermentation differ depending on the organism  A, Lactic acid bacteria (Streptococcus, Lactobacillus); B, Clostridium propionicum; C, Yeast, Acetobacter, Zymomonas,  Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora; D, Enterobacteriaceae (coli-aerogenes); E, Clostridia; F, Klebsiella; G, Yeast; H, Clostridia (butyric, butylic organisms); I, Propionic acid bacteria 10,000-5,000 BC : Using fermentation to make bread and to produce alcoholic beverages 5.000 – 200 BC: Fermented milk, Cheese making; Vinegar was referenced in old testament; the Chinese used fermented soybean curd, fermented tea to treat a variety of illnesses 500 AD: Yogurt, sauces and fermented meats were developed, Vegetable preservation by fermentation is used in China Pyruvate formed by the catabolism of glucose is further metabolized (chuyển hóatrao đổi chất) by pathways which are characteristic of particular organisms and which serve as a biochemical aid to identification - 17 - Fermentation - History Products of Fermentation  Fermentation products include:  Food products : Milk - yogurt, kefir, fresh and ripened cheeses Fruits - wine, vinegar Vegetable – pickles, soy sauce Meat – fermented sausage, salami  Industrial chemical: Solvent – acetone, butanol, ethanol, enzymes, amino acids Specialty chemicals – vitamins, pharmaceuticals kefir nấm sữa, men sữa, sữa chua kefir salami 1680 AD: Van Leeuwenhoek observed yeast cells in alcohol fermentation 1837 AD: Cagniard-Latour, Schwann and Kutzing independently hypothesized that yeast is a living thing 1847 AD: Blondeau hypothesized that different fermentations carried out by different organisms (fungi?) Fermentation - History    QUY TRÌNH SX CHOCOLATE 1857 AD: Pasteur demonstrated that living yeast cells ferment sugar into ethanol and carbon dioxide; Pasteur noted cylindrical organisms produce butyric acid only in absence of oxygen His heat-related experiments would later be utilized in the development of pasteurization 1877 AD: Pasteur noted relationship between microbes (vi khuẩn) and infectious disease- bệnh truyền nhiễm 1929 AD: Fleming demonstrated that mold contaminant in a petri-dish causes bacterial death - 23 - Fermentation - History    1940 AD: Florey and Chain isolated penicillin, elucidated (làm rõ) its structure and demonstrated its bacterial properties on G(+) bacteria 1940s – now: technology was developed to use fermentation to produce antibiotics – kháng sinh 1970- present: Probiotic cultures & bacteria used in mainstream foods "Lợi khuẩn" QUY TRÌNH SX BEER Lúa mạch/mạch nha Thủy phân tinh bột Hoa bia Nồi lắng xốy Nấu/Đường hóa Lọc bã hèm rượu-dịch nha QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ LÊN MEN CƠNG NGHIỆP QUY TRÌNH LÊN MEN TỔNG QUÁT Trước lên men: Xử lý, chế biến, phối trộn khử trùng nguyên liệu ban đầu Lên men bioreator: Tăng sinh khối tế bào Sau lên men: Tách tế bào, tinh chế, bảo quản, tận dụng phụ phế phẩm Bước 1: Thiết lập môi trường dùng tăng sinh giống sản xuất Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men thiết bị kèm theo Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh để cung cấp cho bồn lên men giai đoạn sản xuất (Nhân giống) QUY TRÌNH LÊN MEN TỔNG QUÁT Bước 4: Cung cấp điều kiện tối ưu cho phát triển giống để giống sản sinh sản phẩm (lên men sản xuất) Bước 5: Chiết tinh chế sản phẩm Bước 6: Xử lý chất thải tạo quy trình QUY TRÌNH LÊN MEN TỔNG QT Chuẩn bị trước lên men (Upstream) : chuẩn bị nguyên liệu chuẩn bị vi sinh vật Nguyên liệu thô: làm sạch, nghiền nhỏ, chuyển thành dạng dung dịch Nguyên liệu tinh: chuyển sang dạng dung dịch, tiệt trùng Vi sinh vật: chuẩn bị lượng phù hợp với thể tích làm việc thiết bị lên men cách nhân giống phịng thí nghiệm  nhân giống thiết bị lên men cỡ nhỏ (pilot) - 28 - QUY TRÌNH LÊN MEN TỔNG QUÁT Lên men thực thiết bị lên men chuyên dụng (Bioreactor) Xử lý sau lên men (Downstream) xử lý dịch lên men qua số công đoạn : Lọc: để loại tạp chất khơng tan, chuyển dạng phù hợp (thí dụ chuyển từ dạng axit sang dạng muối) Tinh chế : loại tạp chất tan dịch lên men Kết tinh : chuyển sản phẩm từ dạng tan sang dạng không tan Ly tâm : tách riêng sản phẩm (ở dạng rắn) khỏi dịch lên men Sấy : tách bớt nước có sản phẩm Trích ly, chưng cất, - 29 - Case Study: Industrial penicillin manufacturing What is penicillin?  Group of antibiotics produced by the Penicillium fungi  Effective against actively growing Gram positive bacteria - vi khuẩn gram dương     Some penicillin like amoxicillin are also effective against Gram negative bacteria, except Pseudomonas aeruginosa It is a group of closely related compounds, not a single compound Examples: Amoxicillin, ampicillin, phenoxymethylpenicillin approximately 100 penicillins synthesized so far Discovery and Production of Penicillin How to produce penicillin   By fermentation Fermenters  Purpose of fermenter – provide contained, controlled and homogeneous environment in which the fermentation can proceed in a manner that is both safe and practical and which optimizes the particular objective of the fermentation  Other primary factors include cost, reliability and safety  For reactor being designed for specific purpose, there are a number of important parameters that will greatly affect performance Specific conditions for penicillin production       Fermenter consideration      Reactor size: optimum rates of production Reactor configuration: mechanical agitation or will a bubble column Mode of operation: will it be fed or continuously fed? Conditions inside the reactor: how will conditions (pH, temperature, …) be controlled? Economic requirements:  Easy to operate aseptically  Reasonably flexible regarding process requirements  Low power consumption  Stable under fluctuating conditions  Cheap, robust, simple and well understood for scale-up Most penicillin form filamentous sợi nhỏ broths This means they can be difficult to mix due to their high viscosity Also increasing viscosity of the broth can hinder oxygen transfer Solution: bubble column (air lift reactors) – would distribute the oxygen equally and also to agitate the medium Penicillin is an aerobic organism; oxygen supply is critical Optimum pH for penicillin growth is 6.5: maintain pH efficiently Strain stability problems (mutations Đột biến): careful strain maintenance is required Biomass doubling is about 6h: provisions must be made Media consideration    Provide all the elements required for the synthesis of cell materials and the formation of desired product Provide favorable environment for the culture in question Be cost effective Overall process Seed culture Medium Heat sterilization Fermentation Biomass removal Final product (Penicillin G) Fluid bed drying Extraction Centrifugation extraction Addition of solvent BIOREACTOR MONITORING & CONTROL Chapter 6:        ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN TS NGUYỄN ĐỨC KHUYẾN CHAPTER 6: INSTRUMENTATION AND CONTROL OF BIOREACTOR Chapter 8- Principles of Fermentation - Hall, Stephen Theo tổng hợp Najafpour, có 61 thơng số thuộc ba nhóm:  Các thơng số lý: nhiệt độ, áp suất, thể tích dịch lên men, vận tốc quay cấu khuấy, độ nhớt, ứng suất cắt…  Các thơng số hóa học: pH, hàm lượng oxy hòa tan, hàm lượng CO2 hịa tan, hàm lượng sản phẩm, oxy hóa  Các thông số sinh học: hàm lượng sinh khối, vận tốc Temperature Dissolved oxygen pH Foam Agitator speed Nutrient addition rate Level control A standard stirred tank bioreactor is normally supplied with a means of measuring temperature, agitator speed, pH, the incoming air-flow rate and dissolved oxygen concentration This basic instrumentation can be complemented with several other sensors capable of determining the pressure drop, dissolved CO2 concentration, biomass, off-gas analysis, foam control, power and torque, and liquid flow feeding Các yêu cầu đo lường Chính xác: sai số giá trị thị giá trị thực phải thấp Tin cậy: với đối tượng, đo thời điểm khác hay vùng khơng gian khác phải có giá trị đo Nhạy: có khả phát độ chênh lệch nhỏ thông số đo Thời gian đáp ứng phải ngắn Lắp đặt, sử dụng, hiệu chỉnh dễ dàng thuận tiện Bền bỉ, tuổi thọ lớn Giá thành phải       tăng trưởng, hoạt tính vi sinh vật, thương số hơ hấp…  -4- TEMPERATURE CONTROL Nguyên lý đo lường Để hiển thị , điều khiển, thông số đo chuyển thành đại lượng điện điện thế, cường độ  The amount of heat (Q) to be added or removed depends on the density of the culture, the volume of the culture, and the growth rate of the culture  40-50% of energy produced by substrate catabolism is converted to ATP, the rest is released as heat dòng điện, điện trở, điện dung, Tuy nhiên, chuyển biến độ lớn tín hiệu thường bé, cỡ mV, mA Do đó, để tiếp tục sử dụng tín hiệu cần khuếch đại -5- • Most fermenters operate around 30-36°C • Requires water jackets or pipe coils • In many small systems there is a heating element, 300 to 400 W capacity is adequate for a 10 L fermenter, and a cooling water supply which are on or off depending on the need for heating or cooling In exothermic reactions, the fermentation vessel requires cooling • The heating element should be as small as possible to reduce the size of the heat sink and resulting overshoot when heating is no longer required TEMPERATURE CONTROL TEMPERATURE CONTROL • For small-scale use, a unit will pump recirculating thermostatically heated water through fermenters for up to 10L capacity and give temperature control of ±0.1ºC • In large fermenters, a regulatory valve at the cooling –water inlet may be sufficient to control the temperature • Steam inlets to the coil and jacket must be present if a fermenter is being used for batch sterilization of media  Temperature is measured using glass thermometers, thermocouples, thermistors, resistance thermometers  Thermocouples – cheap and simple to use, but they are low in resolution and require a cold junction  Thermistors Nhiệt điện trở – are semiconductors, which exhibit a change in electrical conductivity with temperature Very sensitive and inexpensive They give a highly nonlinear output  Platinum resistance thermometers are usually preferred as standard The resistance thermometer works on the principle that electrical resistance changes with temperature Platinum resistance thermometers Thermistor hay Nhiệt điện trở (là (Resistance Temperature Detector) chữ ghép nối “Thermal” “Resistor”) điện trở nhạy với nhiệt Một thay đổi nhỏ nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở thermistor, thay đổi xác dự đoán Mức độ thay đổi điện trở phụ thuộc vào thành phần độc đáo Nguyên lý cặp nhiệt điện -9- TEMPERATURE CONTROL RTD hoạt động dựa thay đổi điện trở, Giá trị nhiệt độ thay đổi tỉ lệ thuận với giá trị điện trở.Dựa nguyên tắc điện trở kim loại tăng lên nhiệt độ tăng lên – tượng gọi nhiệt điện trở suất Do đó, đo nhiệt độ suy cách đo điện trở cảm biến RTD - 10 - Đo hàm lượng oxy hịa tan Do phản ứng oxy hóa khử mà cảm biến hoạt động giống pin điện hóa tạo dịng điện Cường độ dòng điện phụ thuộc vào hàm lượng oxy hòa tan dung dịch đo Khi đo cường độ dòng điện ta xác định hàm lượng oxy hòa tan At large scale, heating jacket is replaced with a steam jacket Trong cảm biến chứa dung dịch KCl điện cực, anốt kẽm hay chì catốt bạc Một màng chắn xốp ngăn cách phần cảm biến dung dịch cần đo cho phép oxy di chuyển vào cảm biến Tại anốt xẩy oxy hóa: Zn → Zn2 + + e Tại catốt xẩy khử oxy: e - + ½ O2 + H2O → OH - - 11 - - 12 - DISSOLVED OXYGEN CONTROL DISSOLVED OXYGEN CONTROL Optical dissolved oxygen sensors measure the interaction between oxygen and certain luminescent dyes When exposed to blue light, these dyes become excited and emit light as the electrons return to their normal energy state When dissolved oxygen is present, the returned wavelengths are limited or altered due to oxygen molecules interacting with the dye DISSOLVED OXYGEN CONTROL Increase O2 Supply to Bioreactor pH CONTROL pH đặc tính hóa học độ acid (độ chua) độ bazơ (độ kiềm) dung dịch •Dung dịch chứa acid có vị chua đắng (vd chanh, Coca-Cola…) •Dung dịch chứa bazơ gây cảm giác ăn da (giống nước xà phòng) Theo lý thuyết pH, pH hệ trình tự phân ly acid bazơ dung dịch (vd dung môi nước): HCl + H2O → H3O+ + Cl– Hydrochloric acid H2SO4 + H2O → H3O+ + SO42- Sulfuric acid H3O+ Nitric acid HNO3 + H2O → + NO3– CH3COOH + H2O → H3O+ + CH3COO– Acetic acid → Na+ + OH– Caustic soda → NH4+ + OH– Ammonia NaOH Strategy 1: Increase flow of gas into bioreactor NH3 Strategy 2: Increase mixer speed - 15 - + H2O Hàm lượng ion H3O+ OH– dung dịch xác định dung dịch acid (nhiều H3O+ OH–) hay bazơ (ít H3O+ OH–) - 16 - pH CONTROL Giá trị pH định nghĩa trừ logarit nồng độ ion hydrogen (aH+) pH=−log aH+ (1) Trong công thức (1), aH+ hoạt độ ion H+ Trong mơi trường sống aH+ xem tương đương với nồng độ H+ nên ta có: pH=−log[H+] (2) PH viết tắt từ thuật ngữ: Pondus Hydrogenii, số đo độ hoạt động ion H₃O⁺ (H+) dung dịch, độ hoạt động ion hiđrô định số điện ly nước (Kw) = 1,008 × 10−14 25 °C) tương tác với ion khác có dung dịch Tại phải đo pH? để sản xuất sản phẩm có thuộc tính xác định • để giảm chi phí sản xuất • để tránh gây nguy hại cho người, nguyên liệu môi • để đáp ứng yêu cầu quy định • để bảo vệ thiết bị • để nghiên cứu phát triển Lưu ý: Giá trị pH giảm 1, dung dịch chứa nhiều acid gấp 10 lần! - 18 - pH CONTROL Trong dung dịch có tính axit kiềm, điện áp bề mặt màng thay đổi tương ứng với thay đổi hoạt động ion hydro tính phương trình Nernst: E = tổng điện hóa khác E0 = chuẩn điện R = số khí T = nhiệt độ Kelvin F = Hằng số Faraday [H +] = hoạt độ ion hydro Nguyên lý đo pH: không đo trực tiếp E mà đo chênh lệch E với điện tham chiếu Sự chênh lệch điện hai điện cực số lượng ion hydro dung dịch, cung cấp giá trị pH dung dịch - 20 - Điện cực tham chiếu Cung cấp điện tham chiếu xác định ổn định để đo điện cảm biến pH Điện cực tham chiếu cần làm thủy tinh không nhạy cảm với ion H+ dung dịch Nó phải tiếp xúc với mơi trường mẫu mà nhúng vào Có số hệ thống tham chiếu, ngày sử dụng nhiều hệ thống bạc/bạc clorua Điện hệ thống tham chiếu xác định chất điện ly tham chiếu phận tham chiếu bạc/bạc clorua - 21 - Điện cực kết hợp phần cảm nhận pH dung dịch Nó bao gồm trục thủy tinh với màng thủy tinh mỏng cuối, nhạy cảm với ion H+ Phần bên màng thủy tinh tạo thành lớp gel màng tiếp xúc với dung dịch nước Lớp gel tương tự tạo thành bên màng thủy tinh, điện cực có chứa dung dịch điện ly có nước Mặt cắt ngang qua màng thủy tinh - 22 - Điện cực thủy tinh nhạy cảm với pH bao quanh đồng tâm điện cực tham chiếu chứa chất điện ly tham chiếu Chỉ hai thành phần điện cực kết hợp có tuổi thọ khác điện cực pH tham chiếu riêng biệt khuyến nghị thay cho điện cực kết hợp - 23 - Điện cực pH - Điện cực đo • Chuẩn bị mẫu Giá trị pH mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực pH cung cấp kết đo phụ thuộc vào nhiệt độ • Trước bắt đầu phép đo pH, khuấy mẫu để đảm bảo mẫu đồng Cần có đủ thể tích mẫu vật chứa mẫu để junction phần tham chiếu nhúng hồn tồn vào mẫu Hiệu chuẩn • Việc hiệu chuẩn cần thiết để điều chỉnh độ dốc độ lệch điện cực giá trị cho hệ thống đo • Đường cong hiệu chuẩn sử dụng để thể mối tương quan giá trị mV đo điện cực với giá trị pH dung dịch đo • Độ dốc độ lệch lý thuyết cung cấp công thức Nernst: E = E0 + 2.3RT / nF * log [H3O+] = E0 – 2.3RT / nF * pH Độ dốc = 2.3RT / nF Độ lệch = Thường mV pH 7,00 - 24 - pH CONTROL - 25 - - 26 - Monitor, Control, and Understand Your Bioprocess Đo hàm lượng sinh khối Why Monitor Biomass? Biomass monitoring is concerned with measuring the biomass in a culture and plotting it over time The result is an organism- and process-specific growth curve that enables researchers to understand, optimize, and control the bioprocess and — ultimately — the production of the desired product - 27 - •Screening for the best strain and or condition(s): When using microbial strains to create a desired product, scientists are concerned with first finding the right strain to generate it, and then with optimizing the conditions so that strain creates the highest possible concentration of the product They will want to compare the growth curves of various strains and then of the same strain under various bioprocess conditions (such as temperature, media composition, pH, and batch vs fed-batch) •Timing experimental workflows: Growth experiments often involve various steps (such as inoculation, induction, feeding, sampling, cell or product harvesting, and cooling) where the scientist needs to manually interact with the process Knowing or, ideally, seeing which growth phase your organism is in helps with the timing of these manual work steps, and increases experimental efficiency and scientific outcome •Detecting events: Among the important events that may occur during microbial fermentation are diauxic shifts, oxygen-, substrate, product or metaboliteinhibitions, and morphological hình thái changes It’s crucial for scientists to be able to detect these events in order to characterize and optimize both the microorganism and the bioprocess •Controlling the quality: Following the growth curve can help determine if an experiment is reproducible or not, and if this cultivation can be used for further experiments or production steps It can also help scientists detect a problem — and avoid costly problems further downstream - 28 - How Biomass is Measured Cell density sensors There are typically two type of measurements: Viable Cell Density (VCD) and Optical Density Viable cell density is often measured with a so-called capacitance or permittivity measurement and gives a measurement about the amount of viable Có thể sống cells in a culture Optical Density gives a measure of the total cell density (living or dead in the culture) Viable cell density is most used in cell culture cultivations as viability is an important parameter in these processes, whereas in microbial cultures optical cell density is more commonly used as viability in these cultures is most often very high (>99%) How Biomass is Measured Optical Density (OD) Measurements Principle of Measurement: Absorbance Light with a specific wavelength is emitted into the fermentation broth A sensor on the other side of the broth detects the intensity of the light as it passes through The more cells in the culture, the less light Using the Lambert Beer law, this signal can be used to calculate the optical density, or OD Technologies: Used in photometers combined with offline sampling, in plate readers, or in invasive probes for bioreactors OLDIE BUT GOODIE - 29 - - 30 - - 31 - - 32 - Backscatter Measurements Principle of Measurement: Backscatter Light with a specific wavelength is emitted into the fermentation broth A sensor close to the light source detects the amount of the light scattered back by the cells and other particles in the broth The more cells in the culture, the more light is scattered back Technologies: Used in non-invasive sensors for shake flasks and bioreactors, and in invasive probes for bioreactors MODERN APPROACH, FAST-GROWING TREND - 33 - - 34 - Cell Dry Weight Measurements Principle of Measurement: Cell Dry Weight Scientists take a defined volume of cells from the cultivation broth and transfer it into a pre-weighed tube The cells are then dried overnight so that any water is removed and weighed precisely Subtracting the weight of the empty tube equals the weight of the dried cells per defined volume Technologies: Offline sampling is combined with measuring the cell dry weight on a fine scale dạng sợi WIDELY KNOWN BUT SLOW AND TIME-CONSUMING - 35 - - 36 - Capacitance Measurements Principle of Measurement: Capacitance Microorganisms have a cell membrane, that, if intact, can act as a capacitor when an electric field is applied The resulting capacitance can be monitored and used to derive information about the cell concentration and the amount of cells with intact membranes — in other words, viable cells Technologies: Used in invasive probes for bioreactors EXPENSIVE BUT MORE THAN JUST BIOMASS - 37 - - 38 - Factors to Consider Finding the right biomass monitoring technology for your needs can be a challenge There are key factors to consider when choosing the right biomass monitoring technology for you: your application, your cultivation vessel, and your bioprocess - 39 - - 40 - Đo hàm lượng sinh khối Phương pháp phổ biến để đo hàm lượng sinh khối dịch lên men đo mật độ quang dịch Phương pháp xem dạng phân tích quang phổ Độ truyền qua Cho tia sáng có cường độ I0 độ dài sóng λ chiếu qua hệ phân tán lỏng có chiều dày e Tia sáng truyền qua có cường độ I, I