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
Trang 1Kỹ 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
Trang 2QUY 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
Trang 3Lên 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
Trang 4Nguồn 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
Trang 5Môi 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
Trang 63.3 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
Trang 7Fermenter 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
**
Trang 8Fermenter: Bubble column
Vận chuyển không khí (Airlift)
Packed bed
Trang 9Fluidized 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
Trang 10Nguyên 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
Trang 11Lên 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
Trang 12Lên 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
Trang 13Lên 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
Trang 14¾Thu 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
PP kết tủa
PP tinh chế sản phẩm
• Thu nhận sp bậc 2 trong tế bào vi sinh vật
PP hóa học
Pp vật lý
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?