lên men hiếu khí và kỵ khí

Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men • Nước • Nguồn carbon • Nguồn nitơ • Các nguyên tố khác và vitamin Chất dinh dưỡng đối với VSV Yếu tố quyết định đến nhu cầu dinh dưỡng Nước ¾Nước

Kỹ thuật và phương pháp chung

I Những ưu điểm của vi sinh vật trong công nghệ sinh học

II Sơ đồ tổng quát và các công đoạn chính của quá trình lên

men công nghiệp

III Kỹ thuật và phương pháp cơ bản

3.1 Giống cho sản xuất

3.2 Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men

3.3 Hệ thống thiết bị

3.4 Thiết kế công nghệ

3.4 Khử trùng

3.5 Thu nhận sản phẩm lên men

Saccharomyces cerevisiae Lactic acid bacteria

Lactobacillus acidophilus Brevibacterium linens

Wine, vinegar, beer, yogurt

Bacillus subtilis Penicillium Trichoderma

Spirulina platensis Aspergillus oryzae Streptomyces

Antibiotics, enzymes, vitamins

QUY TRÌNH LÊN MEN

3.2 Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men

• Nước

• Nguồn carbon

• Nguồn nitơ

• Các nguyên tố khác và vitamin

Chất dinh dưỡng đối với VSV

Yếu tố quyết định đến nhu cầu dinh dưỡng

Nước

¾Nước là thành phần chính của tế bào và

thể hiện nhiều vai trò khác nhau

¾Chất lượng nước rất quan trọng trong sản

xuất các sản phẩm từ vi sinh

• Độ cứng

• Khả năng oxi hóa

• Vi sinh vật (VSV gây bệnh)

VD: SX rượu Bầu Đá, rượu vang

3.2 Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên

men

Lên men trong nước

¾Ưu điểm

• Độ đồng nhất cao

• Dễ dàng theo dõi pH, to

¾Nhược điểm

• Khó khăn trong tách chiết

3.2 Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên

men

Nguồn carbon

¾Carbon là nguồn dinh dưỡng quan trọng

• Thành phần cấu trúc tế bào (50% vật chất khô)

• Cung cấp năng lượng

¾Nguồn cung cấp

• Các nguyên liệuđường: mật rỉ, các loại nước

trái cây, đường đơn, đường kép

• Các nguyên liệu chứatinh bột

3.2 Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên

men

Nguồn nitơ

¾ Là thành phần của nhiều chất có trong tế bào

¾Nguồn cung cấp

• Vô cơ

muối ammonium, VD: ammonium phosphate

• Hữu cơ

Amino axit, sản phẩm thủy phân từ protein

3.2 Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên

men

Nguồn nitơ

¾Nguồn nitơ tổng hợp: SA (sulffat ammonuim), DAP

(Diammonium phosphate), urê

¾Nguồn nitrogen tự nhiên:

- Bột đậu tương được dùng như là một nguồn nitơ kĩ

thuật tương đối phổ biến trong nhiều môi trường

dinh dưỡng

- Nước chiết bắp, cao bắp, cao nấm men

- Ngoài ra Có thể sử dụng bột đậu nành hay bột

đậu khác giàu đạm

3.2 Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên

men

Các nguyên tố khác và vitamin

¾Ngoài nguồn C và N, môi trường dinh dưỡng

cần đủ các nguyên tố đa lượng và vi lượng khác

như:P, S, K, Na, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Co,…

¾Ngoài các vitamin có sẵn trong cơ chất ban

đầu, trong một số qui trình cần bổ sung vitamin

như biotin.

3.2 Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên

men

Môi trường lên men

¾Môi trường nghèo dinh dưỡng

¾Môi trường có hàm lượng dinh dưỡng

trung bình

¾Môi trường giàu dinh dưỡng

Môi trường lên men

Các thành phần chính của môi trường lên men

• Nguồn Cacbon

• Nguồn nitơ

• Nguồn khoáng đa lượng: K,P, Ca, Mg, Fe

• Nguồn khoáng vi lượng

• Các vitamin

• Chất kích thích sinh trưởng: 2,4D, α-naptylacetic

acid,…

Ảnh hưởng của môi trường lên men đến chất lượng sản phẩm?

3.3 Hệ thống thiết bị

• Trước lên men

• Lên men

• Sau lên men

II Sơ đồ tổng quát và các công đoạn chính của quá trình

lên men công nghiệp

Sơ đồ khái quát quá trình lên men

3.3 Hệ thống thiết bị

Trước lên men

-Bể hay bồn chứa cơ chất ban đầu để trữ

nguyên liệu cho sản xuất

-Thiết bị nghiền nguyên liệu thô

-Thiết bị trộn nguyên liệu và pha chế môi

trường nuôi

-Thiết bị khử trùng

3.3 Hệ thống thiết bị

Lên men

Fermentor là gì?

Nơi xảy ra quá trình biến đổi hóa học, sinh học

Sinh khối Môi trường nuôi

cấy

Vi sinh vật

Phân tử sinh học

Sp bậc hai

Alcohol Acetic Acid, etc

Fermenter Types

9Airlift

9Fluidized Bed

Fermentor: Shaking tank

9Working volume = (60-70) % of tank volume

9 Height – Diameter ratio H/D =1 H/D > 1

9 Heat transfer **

Vách

ngăn

Phun

không

khí

Phá

bọt

Nước

vào

Nước ra Không khí ra

Không khí vào

Fermentor: Shaking tank

các dạng vật đẩy

Chân vịt

(Propeller

Mỏ neo

(Anchor)

Rushton Turbine

Palette Rake anchor Coiled helix

**

Fermenter: Bubble column

Vận chuyển không khí (Airlift)

Packed bed

Fluidized bed

3.3 Hệ thống thiết bị

Sau lên men

-Thiết bị tách tế bào

-Thiết bị phá vỡ tế bào: Dùng thu nhận các sản phẩm nội bào

-Thiết bịcôđặc: Làm bốc hơi, lọc màng, trao đổi ion, hấp thu

-Thiết bị dùng cho phản ứng tạo sản phẩm

-Thiết bị kết tinh: bột ngọt, citric acid…

- Sắc kí: tinh chế sản phẩm

-Thiết bị sấy

-Các thiết bị để chế biến và bảo quản sản phẩm như

rửa, sấy…

3.4 Thiết kế công nghệ

Thiết kế công nghệ

Thiết kế nhà máy

Thiết kế máy móc

Nguyên tắc

• Dựa vào đặc điểm sinh lý của giống VSV

• Dựa vào đặc tính sinh hóa

3.4 Thiết kế công nghệ

3.4 Thiết kế công nghệ

Lên men

Công nghệ

(+) o2

Công nghệ (-) o2

Lên men hiếu khí – Lên men kị khí

Giống nhau

• 2 qt đều sinhnăng lượng, NL này dùng cung cấp

cho cáchoạt động sống, cácPUSH trong & ngoài

TBvà một phần NL được thải ra môi trường ngoài

dưới dạng nhiệt năng

• Sản phẩm trung gian ban đầu đều là a pyruvic

• Các phản ứng trong 2 qt đều do enzym thực hiện

Lên men hiếu khí

• Lên men hiếu khí là quá

trình oxi hóa rất chậm,

sản phẩm cuối cùng là

CO2, H2O và E

• Năng lượng tự do cao

hơn

Lên men kị khí

• Lên men kỵ khí hoàn toàn không có oxy, LMKK là qt oxh không hoàn toàn, SP cuối là các chất trung gian và E.

• Năng lượng tự do thấp hơn

Khác nhau

Lên men hiếu khí

¾ Là quá trình chuyển hóa vật chất khi có

mặt o2

¾ Oxi ở dạng

• Hòa tan (VSV thường sử dụng – trực tiếp)

• Liên kết (thủy phân cơ chất – gián tiếp)

• Tự do (VSV không sử dụng – không thể)

3.4 Thiết kế công nghệ

Lên men hiếu khí

Vai trò của cánh khuấy

¾Làm xáo trộn môi trường

¾Phá lớp sản phẩm trao đổi chất xung

quanh tế bào

¾Làm tăng nhanh tốc độ hòa tan của oxi

¾Làm tăng tốc độ sinh sản của vsv

¾Đẩy nhanh các chất khí (H2S, NH3…) ra

khỏi môi trường lên men

3.4 Thiết kế công nghệ

Lên men hiếu khí

Tác động của thổi khí

¾Cung cấp oxi

¾Xáo trộn môi trường (đẩy mt lên trên)

¾Tăng nhanh nhanh quá trình sinh sản của

vsv

• Tác động trực tiếp: cơ học

• Tác động gián tiếp: thẩm thấu vào trong tế

bào-> tham gia pứ oxh, quá trình tổng hợp tế

bào

3.4 Thiết kế công nghệ

Lên men hiếu khí

Lượng oxi hòa tan phụ thuộc

¾ Chiều cao của thiết bị lên men: h = 2Φ

¾ Kích thước của bọt khí

3.4 Thiết kế công nghệ

Lên men hiếu khí

Các phương pháp nuôi

• Nuôi cấy trên môi trường lỏng

• Nuôi cấy trên môi trường đặc

¾ Phương pháp nuôi cấy chìm: mt lỏng

• Chu kỳ

• Bán chu kỳ

• Liên tục

3.4 Thiết kế công nghệ

Lên men kị khí

¾ Là lên men không có oxi

¾ Phần lớn sản phẩm lên men kị khí là sản

phẩm bậc hai

¾ Thông thường, trên bề mặt có nhiều ván

• Ván: xác chết vsv, chất hữu cơ có tỉ trọng nhỏ

hơn dung dịch -> ảnh hưởng quá trình lên

men, thoát khí độc

• Cần thiết kế thiết bị phá ván

3.4 Thiết kế công nghệ

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình lên men?

¾Thành phần dinh dưỡng

¾…

3.4 Khử trùng

¾Loại bỏ các nguồn vấy nhiễm(không khí, nước, nguyên liệu…)

¾Các phương pháp khử trùng

• Nhiệt ướt

• Nhiệt khô

• Lọc: bông đá, bông thủy tinh, màng lọc

• Hóa chất (NaoH, H2O2…)

• Tia UV

• Phóng xạ

Phương pháp thường được sử dụng trong quá trình CNSH

¾Thu nhận sinh khối VSV

• Phương pháp lọc

• Phương pháp ly tâm

• Phương pháp lắng

¾Thu nhận các sản phẩm trao đổi chất bậc hai

• Thu nhận sp bậc 2 trong môi trường nuôi cấy

ƒ PP kết tủa

ƒ PP tinh chế sản phẩm

• Thu nhận sp bậc 2 trong tế bào vi sinh vật

ƒ PP hóa học

ƒ Pp vật lý

ƒ Pp sinh học

3.5 Thu nhận sản phẩm

Câu hỏi ôn tập

1 Quá trình lên men là gì? Trình bày sơ đồ tổng quát của quy

trình lên men? Giải thích sơ đồ?

2 Những điều kiện cần thiết cho một quá trình lên men trong

sản xuất công nghiệp?

3 Tại sao nói nước có vai trò rất quan trọng trong công nghệ

lên men? Trình bày yêu cầu chất lượng nước dùng làm dịch

lên men?

4 Tại sao cần phải khử trùng trong công nghệ lên men? Trình

bày các phương pháp khử trùng thường dùng trong công

nghệ lên men?

5 Thiết bị lên men có cánh khuấy có sử dụng trong lên men kị

khí được không? Giải thích?

6 Trình bày tác dụng thổi khí của thiết bị lên men?

7 Trình bày các phương pháp thu nhận sinh khối vi sinh vật?

8 Trình bày các phương pháp thu nhận sản phẩm trao đổi chất

bậc hai?