Báo cáo Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn

TRƯỜNG: ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ LÊN MEN THỰC PHẨM BÀI BÁO CÁO GVHD: T.s TRỊNH KHÁNH SƠN SVTH : 1. HỒ THỊ HÀ TRANG 2. TRẦN THỊ TRÚC GIANG 3. MÔNG THỊ NGA 4. NGUYỄN MINH SƠN 5. LUYỆN VĂN KHÁNH TP HỒ CHÍ MINH 10/2013 HẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn TP.HCM, ngày… tháng… năm…… Chữ ký của giảng viên Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm xin cảm ơn Khoa Công nghệ Hóa Học và Thực Phẩm đã mở môn học Công nghệ lên men thực phẩm, để giúp chúng tôi tìm hiểu sâu hơn về quá trình sinh sản cũng như sự phát triển của vi sinh vật trong quy mô công nghiệp. Và kế tiếp là sự cảm ơn chân thành đến thầy Trịnh Khánh Sơn- người giảng dạy môn học Công nghệ lên men thực phẩm, thầy đã truyền đạt cho chúng tôi rất nhiều kiến thức không chỉ qua lý thuyết mà còn rất thực tế, những kinh nghiệm hữu ích mà thầy mang lại cho chúng tôi là vô cùng quý giá, là hành trang cho chúng tôi sau này. Cảm ơn vì sự nhiệt tình giải đáp mọi thắc mắc cho chúng tôi. Thầy còn cho chúng tôi những lời góp ý, những nhận xét chân thành, giúp chúng tôi càng hoàn thiện hơn. Do kiến thức còn hạn hẹp, nên còn nhiều thiếu sót trong bài làm, rất mong thầy sẵn lòng góp ý, để các bài báo cáo lần sau được hoàn thiện hơn. Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn MỤC LỤC 1.GIỚI THIỆU 2.NHU CẦU VỀ OXYGEN TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 3. CUNG CẤP OXYGEN 4. CÁCH XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ K L a 4.1 KỸ THUẬT TÁCH KHÍ 4.1.1 TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĨNH 4.1.2 KỸ THUẬT TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG 4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG OXYGEN 5. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIÁ TRỊ K L A TRONG BỒN LÊN MEN 27 5.1 ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ KHÔNG KHÍ LÊN K L A 5.1.1 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN CƠ HỌC 5.1.2 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN KHÔNG CƠ HỌC 5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ KHUẤY TRỘN ĐẾN K L A 5.2.1 MỐI QUAN HỆ GIỮA K L A VÀ ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ 5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG VÀ TÍNH LƯU BIẾN CỦA MÔI TRƯỜNG LÊN GIÁ TRỊ K L A 5.3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA SINH KHỐI VI SINH VẬT ĐẾN K L a 5.3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHỮNG SẢN PHẨM VI SINH VẬT TRONG THÔNG KHÍ 5.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỌT KHÍ VÀ NHỮNG CHẤT CHỐNG TẠO BỌT LÊN SỰ VẬN CHUYỂN OXYGEN 6. CÂN BẰNG GIỮA SỰ CUNG CẤP VÀ NHU CẦU OXY Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn 6.1 ĐIỀU KHIỂN NỒNG ĐỘ SINH KHỐI (controlling biomass concentration) 6.2 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TIÊU THỤ OXYGEN ĐẶC TRƯNG (specific oxygen uptake rate) 7. SCALE- UP AND SCALE- DOWN 7.1 CHẾ ĐỘ THÔNG KHÍ/ KHUẤY TRỘN TRONG BỒN KHUẤY TRỘN CỦA SCALE-UP (Scale-up of aeration/agitation regimes in stirred tank reactors) 7.2 CÁC BỒN PHẢN ỨNG AIR-LIFT TRONG SCALE-UP (The scale- up of air-lift reactors) 61 7.3 PHƯƠNG PHÁP SCALE-DOWN (quy mô nhỏ) TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 1. GIỚI THIỆU Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn Phần lớn các quá trình lên men là lên men hiếu khí, do đó cần phải cung cấp oxygen. Nếu hóa học lượng phác của sự hô hấp được xem xét, khi đó quá trình oxygen hóa glucose có thể được biểu diễn như sau: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6H 2 O + 6CO 2 Như vậy, để oxy hóa hoàn toàn 180g glucose cần 192g oxygen. Tuy nhiên, cả hai thành phần này phải được hòa tan ở dạng dung dịch trước khi cho vi sinh vật vào, mà như ta biết, khả năng hòa tan của oxygen trong nước ít hơn của glucose khoảng 6000 lần (môi trường lên men bão hòa khi chứa khoảng 7.6 mg/dm 3 oxygen ở 30 0 C). Như vậy, không thể cung cấp cho môi trường nuôi cấy vi sinh vật tất cả lượng oxygen cần thiết để oxi hóa hoàn toàn glucose (hay các nguồn carbon khác). Tuy nhiên, phải cung cấp đủ oxygen trong suốt giai đoạn sinh trưởng để thỏa mãn nhu cầu của chúng. Thông thường nhu cầu về oxygen của quá trình lên men công nghiệp được đáp ứng bằng cách thông khí và khuấy trộn dịch lên men. Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình lên men sẽ giảm nếu oxygen dư thừa, vì vậy, việc xem xét các nhân tố gây ảnh hưởng đến năng suất của bình lên men để tạo tế bào vi sinh vật bằng oxygen là một việc hết sức quan trọng. Nhu cầu về oxygen trong quá trình lên men, số lượng oxygen chuyển hóa và các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển oxygen vào dung dịch sẽ được xem xét trong chương này. 2. NHU CẦU VỀ OXYGEN TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP Mặc dù việc xem xét các hóa học lượng phác của sự hô hấp đã cho ta thấy rõ vấn đề về sự cung cấp oxygen, tuy nhiên nó không biểu thị đúng nhu cầu về oxygen bởi vì nó không xem xét lượng carbon đã được chuyển hóa thành sinh khối và sản phẩm. Một số nhà nghiên cứu đã xem xét toàn bộ hóa học lượng phác của sự chuyển hóa oxygen, nguồn carbon, nguồn nitrogen thành sinh khối và sử dụng các mối quan hệ này để phỏng đoán nhu cầu về oxygen của quá trình lên men. Một số phương trình chọn lọc được thể hiện ở bảng 9.1.Từ những khẳng định này ta có thể Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn thấy rằng nhu cầu về oxygen của một môi trường nuôi cấy phụ thuộc rất nhiều vào nguồn carbon có trong môi trường đó.Vì vậy, nguồn carbon càng giảm thì nhu cầu về oxygen càng lớn. Từ phương trình cân bằng của Darington và Johnson (bảng 9.1) có thể thấy rằng để sản xuất ra 100g sinh khối, thì lượng oxygen cần thiết để oxi hóa hoàn toàn hydrocarbon xấp xĩ 3 lần lượng oxygen cần để oxi hóa nguồn carbohydrate.Về mặt này cũng được minh họa trong bảng 9.2. Như ta đã biết, hàm lượng carbon trong cơ chất hydrocarbon cao sẽ đạt được hệ suất hiệu suất cao (g sinh khối trên g cơ chất được tiêu thụ), tuy nhiên, cần nhớ rằng việc lựa chọn nguồn carbon phải dựa trên sự cân bằng giữa lợi ích hiệu suất sinh khối cao với những bất lợi khi nhu cầu oxygen cao và sự phát sinh nhiệt. Các vấn đề này đã được thảo luận kỹ hơn trong chương 4. Bảng 9.1: Phương trình hóa học lượng phác mô tả nhu cầu oxygen trong quá trình lên men. Phương trình cân Giới hạn được sử dụng (terms used) Tác giả 6.67CH 2 O + 2.1O 2 = C 3.92 H 6.5 O 1.94 + 2.75CO 2 + 3.42H 2 O C 3.92 H 6.5 O 1.94 là 100g (khối lượng chất khô) tế bào nấm men; CH 2 O là carbohydrate Darlington (1964) 7.14 CH 2 + 6.135O 2 = C 3.92 H 6.5 O 1.94 + 3.22CO 2 + 3.89H 2 O CH 2 là hydrocarbon Darlington (1964) (A/Y) – B = C A = lượng oxygen để đốt cháy 1g cơ chất thành CO 2 , H 2 O và NH 3 nếu nitrogen hiện diện trong cơ chất. B = lượng oxygen cần thiết để đốt cháy 1g tế bào thành CO 2 , H 2 O và NH 3 Y = hiệu suất tế bào ( g tế bào trên g cơ chất) C = g oxygen được tiêu thụ để sản xuất ra 1g tế bào. Johnson (1964) (dx/dt)/Y + mx + p = (dCO 2 /dt) = -(dO 2 /dt)RQ x = nồng độ sinh khối t = thời gian Y = g sinh khối/g cơ chất Righelato cùng các cộng sự (1968) Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn carbon. m = hằng số p = dung sai của kháng sinh ( allowance foe antibiotic) production) Y O/P = (0.53/Y P/G ) – (0.6X/P) – 0.43 Y O/P = g oxygen được tiêu thụ trên g glucose Y P/G = g sodium pencillin G được sản xuất trên g glucose X = g tế bào (khối lượng chất khô) được sản xuất P = g sodium penicillin G được sản xuất. Gooney (1979) Y O = {(32C + 8H -160)/YM} – 1.58 Y O = g oxygen được tiêu thụ trên g tế bào được sản xuất. Y = hiệu suất tế bào ( g tế bào trên g cơ chất) M = khối lượng phân tử của nguồn carbon C, H và O = số nguyên tử carbon, hydro, oxygen của mỗi phẩn tử nguồn carbon Mateles (1971) Bảng 9.2: Nhu cầu về oxygen của một số vi sinh vật sinh trưởng trong một số cơ chất (Sau Mateles,1979). Cơ chất Sinh vật Nhu cầu về oxygen Tham khảo Glucose Methanol Octane Escherichia coli Pseudomonas C Pseudomonas sp 0.4 1.2 1.7 Schulze and Lipe (1964) Goldberg et al (1976) Wodzinski and Johnson (1968) Các phương trình của Darling, Johnson và Mateles chỉ kể đến việc tạo sinh khối mà không xem xét đến sự hình thành sản phẩm, trong khi các phương trình cân bằng của Cooney và Righelato xem xét về sự hình thành sản phẩm. Ryu và Hospodka (1980) đã sử dụng phương pháp của Righelato đã tính được rằng 1g penicillin tiêu thụ 2,2g oxygen. Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn Tuy nhiên, không đủ cơ sở để khẳng định việc cung cấp oxygen cho một quá trình lên men chỉ đơn giản dựa trên ước lượng nhu cầu tổng thể, bởi vì quá trình trao đổi vật chất của môi trường nuôi cấy bị ảnh hưởng bởi nồng độ oxygen hòa tan trong dịch nuôi cấy (the broth). Ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan đến đến tốc độ hấp thu oxygen đặc trưng (mmoles của oxygen tiêu thụ/g khối lượng khô/h) đã được chứng minh bằng phương pháp Michaelis-Menten, được mô tả ở hình 9.1. Hình 9.1. Ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan đến Q O2 của vi sinh vật. Từ hình 9.1 có thể thấy rằng tốc độ hấp thu oxygen đặc trưng tăng theo nồng độ oxygen hòa tan và nó tăng theo đến một điểm nhất định nào đó (được gọi là C tới hạn ), trên nồng độ tới hạn thì tốc độ hấp thu oxygen hầu như không tăng thêm nữa. Một số ví dụ về mức oxygen tới hạn của một loạt vi sinh vật được thể hiện trong bảng 9.3. Như vậy, ta có thể sản xuất được lượng sinh khối tối đa bằng cách thỏa mãn tối đa nhu cầu oxygen của sinh vật, bằng cách duy trì nồng độ oxygen hòa tan đặc trưng lớn hơn mức tới hạn. Nếu nồng độ oxygen hòa tan giảm xuống dưới mức tới hạn khi đó sự trao đổi vật chất của các tế bào có thể bị rối loạn. Tuy nhiên, đây thường là mục đích của các nhà công nghệ lên men để sản xuất ra sản phẩm của vi sinh vật hơn là tế bào vi sinh vật và sự rối loạn trao đổi vật chất của tế bào do thiếu oxygen có thể có lợi cho việc hình thành nên các sản phẩm nhất định. Đồng Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn thời, nồng độ oxygen hòa tan được cung cấp lớn so với mức tới hạn có thể không ảnh hưởng tới sự sản xuất sinh khối nhưng có thể kích thích hình thành sản phẩm. Do đó các điều kiện thông khí cần thiết cho mục đích sản xuất tối ưu sản phẩm có thể khác so với mục đích thiên về sản xuất sinh khối. Bảng 9.3: Nồng độ oxygen hòa tan tới hạn của một số vi sinh vật( Riviere, 1977) Sinh vật Nhiệt độ Nồng độ oxygen hòa tan tới hạn (mmoles dm -3 ) Azotobacter sp Escherichia coli Saccharomyces sp Penicillium chrysogenum 30 37 30 24 0.018 0.008 0.004 0.022 Sự nghiên cứu sinh tổng hợp axit amin của Brevibacterium flavum của Hirose và Shibai cung cấp một ví dụ tuyệt vời về sự ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan đến một loạt các sản phẩm trao đổi chất. Các nhà nghiên cứu này đã chứng minh được nồng độ oxygen hòa tan tới hạn đối với B. flavum là 0.01 mg/dm 3 và xem xét mức độ oxygen cần cung cấp cho nuôi cấy gọi là mức độ “ thỏa mãn oxygen”(oxygen satisfaction), lượng oxygen cần cung cấp là tốc độ hô hấp của môi trường nuôi cấy, nó được diễn tả như một phần nhỏ của tốc độ hô hấp tối đa. Như vậy, một giá trị “thỏa mãn oxygen” thấp có nghĩa là nồng độ oxygen hòa tan thấp hơn mức tới hạn. Mức độ thỏa mãn oxygen ảnh hưởng đến việc sản xuất một loạt các amino acids thể hiện trong hình 9.2. Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn [...]... dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn (h-1) Hệ số truyền khối theo thể tích được sử dụng như là đơn vị đo công suất thông khí của bình lên men KLa càng lớn thì công suất thông khí của hệ thống càng cao Giá trị KLa sẽ phụ thuộc vào kiểu và các điều kiện vận hành của bình lên men đồng thời nó cũng bị ảnh hưởng bởi sự biến thiên của tốc độ thông khí, tốc độ khuấy. .. được gọi là cột bọt khí và bình phản ứng air-lift cũng được thảo luận trong chương 7 Bartholomew cùng các cộng sự đã trình bày sự vận chuyển oxygen từ không khí đến tế bào trong suốt quá trình lên men, gồm một số bước sau: i Sự vận chuyển oxygen từ bọt khí vào dung dịch Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn ii Sự vận chuyển oxygen hòa... Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn Nhiều quá trình lên men đòi hỏi nồng độ oxygen hòa tan cao, nhưng phải đảm bảo rằng các quá trình lên men không vượt quá lượng oxygen được cung cấp từ bình lên men do đó một số quy trình kỹ thuật đã phát triển Nhu cầu về oxygen của các quá trình lên men phụ thuộc lớn vào nồng độ sinh khối và hoạt động hô hấp... bồn lên men có chiều cao hơn một mét Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn 4.1.2 KỸ THUẬT TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG Tagachi và Humphrey (1996) sử dụng hoạt động hô hấp ở giai đoạn tăng trưởng của quá trình nuôi cấy trong bồn lên men để hạ thấp mức oxygen trước khi thông khí Do đó, việc dự đoán lợi ích trong suốt quá trình lên men. .. hợp khi sử dụng với bồn lên men Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn có chiều cao hơn môt mét Van,t Riet và Tramper (1991) chỉ ra rằng thời gian thực hiện đối với những bình như thế, để thiết lập trạng thái cân bằng mật độ bọt khí sẽ rất lớn và bề mặt tiếp xúc giữa khí và lỏng sẽ thay đổi hơn trong thời gian thông khí dẫn đến xác định... Nienow và các cộng sự cho rằng nó được thể hiện ở hình 9.13D, trong khi Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn đó Biesecker (1972) cho là hình 9.13F Dù thế nào thì mô hình mong muốn cũng được biểu diễn ở hình 9.13 C Hình 9.1 3: Những ảnh hưởng của tốc độ dòng không khí lên mô hình dòng chảy trong bồn khuấy trộn A Không thông khí B đến F: tăng... hai ngăn được kết nối giữa riser và downcomer Không khí vào Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn ở dưới đáy của riser và ra ở phần đỉnh Chất lỏng sẽ nặng hơn hơi nước trong riser và sẽ chảy xuống downcomer Do đó, mô hình tuần hoàn đã được thiết lập trong bình lên men: hơi nước sẽ đi lên phía trên riser và chất lỏng sẽ chảy xuống dowcomer... đây: Quy mô Phòng TN Nhà máy thí điểm Nhà máy sản xuất Cơ số mũ của Pg / V 0.95 0.67 0.9 Bình lên men của Bartholonew chứa nhiều hơn 1 cánh khuấy, trong khi đó bình lên men của Cooper và các cộng sự chỉ có một Rất có thể những cánh khuấy ở Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn phía trên sẽ tiêu thụ nhiều điện năng hơn những cánh khuấy. .. mô lên men và thiết kế hệ thống lên men 5.1 Ảnh hưởng của tốc độ không khí lên KLa 5.1.1 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN CƠ HỌC Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí lên giá trị KLa trong những hệ thống khuấy trộn thông thường được minh hoạ trong hình 9.12 Việc xác định mối quan hệ giữa việc thông khí và KLa cho bồn khuấy trộn được xem xét ở phần tiếp theo thông qua Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công. .. giữa năng lượng tiêu thụ và các biến số vận hành được ứng dụng trong: i.Ước tính tổng năng lượng tiêu thụ của 1 hệ thống khuấy trộn dưới 1 trường hợp cụ thể, để hỗ trợ cho quá trình thiết kế bồn lên men Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn ii.Cung cấp mức tiêu thụ năng lượng giống nhau trong những bình lên men có kích thước khác nhau . 2.75CO 2 + 3.42H 2 O C 3.92 H 6.5 O 1. 94 là 10 0g (khối lượng chất khô) tế bào nấm men; CH 2 O là carbohydrate Darlington (19 64) 7 .14 CH 2 + 6 .13 5O 2 = C 3.92 H 6.5 O 1. 94 + 3.22CO 2 + 3.89H 2 O CH 2 . MEN 27 5 .1 ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ KHÔNG KHÍ LÊN K L A 5 .1. 1 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN CƠ HỌC 5 .1. 2 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN KHÔNG CƠ HỌC 5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ KHUẤY TRỘN ĐẾN K L A 5.2 .1 MỐI QUAN. Octane Escherichia coli Pseudomonas C Pseudomonas sp 0.4 1. 2 1. 7 Schulze and Lipe (19 64) Goldberg et al (19 76) Wodzinski and Johnson (19 68) Các phương trình của Darling, Johnson và Mateles chỉ