Bài giảng: công nghệ lên men
4/20/2011 1 Công nghệ lên men CDGD: Bùi Hồng Quân Biên soạn: Nguyễn Minh Hiền Tài liệu tham khảo Công nghệ vi sinh vật tập 2, 3. PGS-TS Nguyễn Đức Lượng Công nghệ vi sinh ứng dụng, PGS-TS Trần Minh Tâm Công nghệ lên men ứng dụng trong CNTP, Bùi Ái Công nghệ sản xuất malt và bia, Hoàng Đình Hòa Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn etylic, PGS – TS Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thị Thanh Hằng Enzyme vi sinh vật, PGS – TS Lê Ngọc Tú Food microbiology, William C.Frazier Applications of biotechnology to traditional fermented foods (http://www.nap.edu/catalog/1993.html) ………………… 4/20/2011 2 Tài liệu tham khảo (tt) • Bamforth C.W. Food, Fermentation and Micro-organisms, Blackwell Publishing, USA, 2005. • Hutkins R.W. Microbiology and Technology of Fermented Foods, Blackwell Publishing, USA, 2006. • Elmer H. Marth, Applied dairy microbiology, Second edition • Springer, Wine microbiology practical and procedures, 2007 • Springer, Modern techniques in the microbial ecology of fermented foods, 2008 • Elsevier, Handbook of culture media for food microbiology, 2003 • The microbiology of safe food, Blackwell Publishing, USA, 2000 • Practical food microbiology, 3rd edition, Blackwell Publishing, USA, 2003 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CỦA SV 1. ĐIỂM QUÁ TRÌNH (30%) 1.1. KIỂM TRA 15 PHÚT (15%) 1.2. BÁO CÁO SEMINAR (15%): chọn 1 trong 3 phương án sau 1.2.1. Chọn 1 bài báo tiếng Anh, dịch sách liên quan tới môn học để đọc hiểu và thuyết trình power point (4sv/nhóm) 1.2.2. Chọn 1 bài báo tiếng Việt liên quan tới môn học để đọc hiểu và thuyết trình power point (2sv/nhóm) 1.2.3. Chọn 1 đề tài đã được thực hiện liên quan tới môn học để đọc hiểu và thuyết trình power point (4sv/nhóm). 2. ĐIỂM THI KÊT THÚC MÔN HỌC (70%) Thi viết tự luận 4/20/2011 3 NỘI DUNG CHI TIẾT HỌC PHẦN 2 Phần 1. Mở đầu Phần 2. Kỹ thuật lên men Phần 3: Công nghệ lên men ứng dụng 3.1. Lên men ethanol và các ứng dụng 3.2. Công nghệ sản xuất acid hữu cơ thực phẩm 3.3. Công nghệ sản xuất acid amin 3.4. Công nghệ sản xuất sinh khối vi sinh vật 3.5. Công nghệ sản xuất polysaccharide từ VSV 3.6. Công nghệ enzyme 3.7. Công nghệ sx các sp lên men truyền thống www.gbd.edu.vn PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. CÔNG NGHỆ LÊN MEN 1.1.1. Khái niệm về lên men (fermentation) 1.1.2. Khái niệm về CNLM (fermentation technology) 1.2. PHÂN LOẠI CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN www.gbd.edu.vn 4/20/2011 4 (From latin “fervere”) 1.1.1. Khái niệm về lên men (fermentation) www.gbd.edu.vn Quan điểm của nhà hóa sinh học: lên men là quá trình sản sinh năng lượng. Các hợp chất hữu cơ hoạt động với vai trò vừa là chất cho, vừa là chất nhận điện tử. Lên men là quá trình yếm khí, năng lượng được sản xuất không cần có oxy hoặc các chất nhận điện tử vô cơ khác. Quan điểm của Pasteur: 1857, Ông công bố quá trình lên men không phải “công trình của sự chết” như những nhà hóa học nghĩ mà là “công trình của sự sống”. Ông đưa ra khái niệm tính kỵ khí và ái khí của VSV và sự lên men là hệ quả của “cuộc sống không có không khí” Theo nghĩa mở rộng: lên men là quá trình nuôi cấy VSV (có oxy hoặc không có oxy) để thu nhận sinh khối, các sản phẩm trao đổi chất, thực hiện sự chuyển hóa cơ chất. 1.1.1. Khái niệm về lên men (tt) 4/20/2011 5 First Fermentation concept, or Pasteur concept in 1857, “Fermentation is the transformation process of the sugar to alcohol in presence of "la vie sans l'air " (means life without air). Louis Pasteur (27.12.1822 – 28.9.1895) the father of the Microbiology 1.1.1. Khái niệm về lên men (tt) www.gbd.edu.vn Conclusions of Pasteur from its study of wines: The alcoholic fermentation of grape juice occur only in presence of yeasts. The wine acidification occur in presence of bacteria. When the grape juice is heated the fermentation do not take place. When the wine (the sugar) is heated the acidification do not occur. Fermentation is the change of the substrate (sugars) by the action of the ferments 1.1.1. Khái niệm về lên men (tt) 4/20/2011 6 The fermentation technology is the combined application of the knowledge of process engineering, biochemistry and microbiology for designing or evaluation a fermentation process. 1.1.2. Khái niệm về CNLM (fermentation technology) Sản phẩm Sản lượng (tấn/năm) Acid foods (citric, lactic) 100,000 Alcohol 1,000,000 Amino acids 10 – 100,000 Antibiotics 10 – 30,000 Enzymes 0.1 – 3,000 Pharmaceutical proteins 0.001 - 3 SCIENTIFIC KNOWLEDGESCIENTIFIC KNOWLEDGE Biochemistry Microbiology Molecular Biology Process engineering Informatics Statistic Immunology Physiology TOOLS / TECHNICAL ADVANCESTOOLS / TECHNICAL ADVANCES Biosensors Bioinformatics Bioprocess Protein engineering Experimental design Process analysis ENVIRONMENTENVIRONMENT Bioremediation Environmental monitoring Pollution control Useful Useful ApplicationsApplications FARMINGFARMING Yield Animal health Feed stocks PHARMACYPHARMACY Diagnostics Vaccines Therapeutics FOODFOOD 4/20/2011 7 What I should do to do fermentation? Media preparation Fermenter preparation Sterilization Adjusting parameters Inoculation Cultivation Taking samples Development the producer strain Harvest Medium design Physiology Kinetics Agitation/Aeration Scale-up conservation Optimization Fermenter types Operation modes CÁC SP TRAO ĐỔI CHẤT SP TĐC BẬC 1: acid amin, vitamin, acid citric … SP TĐC BẬC 2: enzyme VSV, kháng sinh… SP lên men: rượu, acid lactic… (lên men kỵ khí) Cơ chất Tế bào (biomass) 1.2. PHÂN LOẠI CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN TỪ VSV SINH KHỐI VSV (biomass): protein đơn bào (SPC), men bánh mì, giống khởi động (starter) Cơ chất Sản phẩm + Tế bào (SP TĐC) 4/20/2011 8 Phân loại sản phẩm lên men theo quan điểm kinh tế Bio-products High value – Low product volume (MostlyMostly dependsdepends onon thethe substratesubstrate price)price) Medium value – High product volume (TheThe processprocess isis relativelyrelatively expensiveexpensive andand somesome complexity)complexity) Low value – High product volume (MostMost ofof thethe productionproduction correspondcorrespond toto purificationpurification processprocess) • Antibiotics • Vitamins • Enzymes • Vaccines • Steroids • Hormones • Other pharmaceutics • Amino acids • Organic acids • Biopolymers • Baker yeast • Microbial polysaccharides • Ethanol • Biomass • Methane • Acetone • Butane • Fructose syrups • Feeding products Cost distribution High volume and Low value product Low volume and High value product High investment cost (phí đầu tư cao) High investment cost High raw material cost (phí nguyên liệu cao) Cost are distributed in all production stages High conversion efficiency (hiệu quả chuyển đổi thấp) High recovery of the product in the fermentation stage Low recovery cost (Phí quay vòng thấp) High purification cost Low margin profit (lợi nhuận thấp) High margin profit Only few regulatory problems (phải theo quy định pháp luật) Too much regulatory and legyslation restrictions, and high plant hygiene Required not much R&D expenditures (không tốn nhiều tiền cho RD Required too much R&D Cost Low qualification of the labor force is acceptable (Người lao động có thể ko cần trình độ chuyên môn cao) Very high qualification of the labor force is nedeed 4/20/2011 9 PHẦN 2. KỸ THUẬT LÊN MEN 2.1. VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN TP 2.2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LÊN MEN 2.3. PHƯƠNG PHÁP & THIẾT BỊ LÊN MEN 2.4. CẢI TiẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN www.gbd.edu.vn 2.1. VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN TP 2.1.1. CÁC YÊU CẦU VỀ GIỐNG VSV 2.1.2. KỸ THUẬT TẠO GIỐNG 2.1.3. KỸ THUẬT NHÂN GIỐNG VÀ SX GIỐNG 2.1.4. KỸ THUẬT KIỂM TRA GIỐNG VSV 2.1.5. KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG GIỐNG 2.1.6. KỸ THUẬT BẢO QUẢN GIỐNG 4/20/2011 10 VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN TP TP lên men với sự tham gia của VSV trong tự nhiên (TP lên men truyền thống) TP lên men với sự tham gia của VSV thuần khiết (TP lên men công nghiệp) Sx thủ công, quy mô nhỏ, năng suất không cao Không kiểm soát được quá trình, chất lượng chưa ổn định và chưa đồng đều. Mang bản sắc ẩm thực, kinh nghiệm, văn hóa của mỗi dân tộc Sx quy mô lớn, năng suất cao Chủ động cấy 1 lượng VSV vào nguyên liệu Kiểm soát được quá trình lên men, chất lượng ổn định & đồng đều Phải có tốc độ sinh trưởng và phát triển mạnh, thuần Phải tạo ra sản phẩm có năng suất sinh tổng hợp cao, chất lượng tốt Phải có tính thích nghi nhanh trong điều kiện sx CN Phải có khả năng chống chịu lại VSV tạp nhiễm Phải có kích thước đủ lớn, thuận tiện cho quá trình lắng, lọc, tinh chế sau này. Sản phẩm sinh khối dễ tách ra khỏi môi trường nuôi cấy Chủng VSV được bảo quản dễ dàng, tồn tại các đặc tính trong suốt thời gian sử dụng Có khả năng thay đổi các đặc tính bằng kỹ thuật di truyền để cải thiện, nâng cao năng suất Không hoặc ít tạo thành sản phẩm không mong muốn 2.1.1. Yêu cầu giống VSV trong CNLM [...]... PHÁP LÊN MEN Phân loại phương pháp lên men: Theo sự phát triển của VSV trong môi trường: Lên men chìm: LM trong các fermentor với môi trường lỏng Lên men bề mặt: LM trong các khay với môi trường lỏng hay môi trường có cơ chất rắn hay xốp Theo nguyên lý hoạt động của thiết bị (Operation mode) Lên men tĩnh (lên men theo mẻ) (batch culture) Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất (fed – batch culture) Lên men. .. 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lên men (tt) IN Internal OUT Cells • T • pH • Medium • Agit Areac • Modo Oper External • Cell Conc • Prod Conc • Metabolites 24 4/20/2011 www.gbd.edu.vn 2.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ LÊN MEN 2.3.1 Chuẩn bị môi trường lên men 2.3.2 Tiệt trùng trong công nghiệp lên men 2.3.3 Các phương pháp lên men 2.3.4 Các thiết bị lên men 2.3.1 Chuẩn bị môi trường Nguyên tắc... sung cơ chất (fed – batch culture) Lên men liên tục (continuous culture) Điều kiện lên men Lên men hiếu khí: thông khí bằng hệ thống trục khuấy có sục khí (sx biomass) Lên men kị khí (sản xuất rượu, bia) Lên men tĩnh (Lên men theo mẻ- Batch culture) Culture Media Preparation Air Sterilization Inoculation Fermentation Lên men tĩnh được coi là 1 hệ khép kín do không Air có tác động của các yếu tố bên ngoài... ở quy duy trì µ ở YP/S tối ưu •Tăng năng suất của quá trình do mô công nghiệp giảm 1 số công đoạn (rửa thiết bị, tiệt trùng, loading và unloading) •Sản phẩm có tính đồng nhất cao 2.3.4 Thiết bị lên men PHÂN LOẠI THIẾT BỊ LÊN MEN Theo nguyên lý hoạt động: fermenter hoạt động liên tục, gián đoạn, bán liên tục Theo cấu trúc thiết bị: fermenter có cánh khuấy (Shaking Tank), không có cánh khuấy Theo hình... remains constant Fresh culture medium Preparation of starting culture medium Feed preparation Fermentor sterilization Feed sterilization Fermentor inoculation Air 1 2 Fermentation Feed addition Harvesting Spent culture medium, cells, Air 30 4/20/2011 Lên men liên tục - Continuous culture Ưu điểm Nhược điểm •Dịch lên men luôn được bổ sung •Nguy cơ vấy nhiễm cao nên các chất ức chế bị pha loãng •Khả năng xuất... Lượng SP mong muốn (g/L) Tổng thời gian lên men (h) Clean & decontaminate Load Sterilize Culture Unload Adaptation Phase Exponential Phase Stationary Phase How to minimize the Lag phase ? 1 Correct ratio (1/5 - 1/10) 2 Inoculum culture medium Inoculum volume Fermentor volume = Fermentor culture medium 3 The inoculum should be in Batch culture exponential phase at moment of inoculation the Mass Balance... Supposition: Perfect mixing = all parameters in the fermentor are similar at a time in any point For biomass: Biomass in + Biomass grow = Biomass out + Cumulative Biomass In a Batch fermentor: grow = cumulative For substrate: Substrate in = Substrate out + Metabolized substrate + Cumulative substrate In Batch fermentor: 0 = metabolized + cumulative 28 4/20/2011 Lên men theo mẻ- Batch culture Ưu điểm Nhược điểm... sterilization 1 Fermentor inoculation Feed addition Air 2 Fermentation Air Harvesting 29 4/20/2011 Lên men tĩnh có bổ sung cơ chất - Fed-batch culture Ưu điểm (Advantages) Nhược điểm (Disadvantages) Thời gian của các đk sinh trưởng tối ưu được kéo dài do các chất ức chế bị pha loãng và các chất dinh dưỡng chính được chuyển hóa như nhau ở mọi thời điểm LM •Tăng năng suất của quá trình do giảm 1 số công đoạn... 2.2.1 PHƯƠNG TRÌNH MONOD 2.2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT LM Mục đích nghiên cứu động học •Thiết kế 1 quá trình lên men mới •Đánh giá hiệu quả của qt lên men đang thực hiện •Cải tiến quá trình (chất lượng, năng suất, giảm chi phí) •Nâng cấp hoặc giảm quy mô sx ¿How to describe a fermentation process? biomass Conversion process of nutrients to products of the microbial metabolism CO2 nutrients cells... (Macroelements: 90-95% dry mass): C, H, N, H, O (Conc: > 10-4 mol/L) Các nguyên tố khoáng (Microelements): Ca, Mg, Fe, Zn, Mn, Fe, Cu, B, Cr, Mo Yếu tố sinh trưởng (Growth factors): vitamin B, Amino acids, hợp chất khác (acid béo, acid nucleic) Môi trường lỏng: chất khô, pH Môi trường rắn: độ ẩm, chất độn (trấu, rơm…) 25 4/20/2011 Các bước để chuẩn bị môi trường 2.3.2 Tiệt trùng trong công nghiệp lên men . THUẬT LÊN MEN 2.1. VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN MEN TP 2.2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LÊN MEN 2.3. PHƯƠNG PHÁP & THIẾT BỊ LÊN MEN 2.4. CẢI TiẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN www.gbd.edu.vn 2.1. VSV TRONG CÔNG NGHỆ LÊN. vật 3.5. Công nghệ sản xuất polysaccharide từ VSV 3.6. Công nghệ enzyme 3.7. Công nghệ sx các sp lên men truyền thống www.gbd.edu.vn PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. CÔNG NGHỆ LÊN MEN 1.1.1. Khái niệm về lên men. 2. Kỹ thuật lên men Phần 3: Công nghệ lên men ứng dụng 3.1. Lên men ethanol và các ứng dụng 3.2. Công nghệ sản xuất acid hữu cơ thực phẩm 3.3. Công nghệ sản xuất acid amin 3.4. Công nghệ sản xuất