ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LÊN MEN

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM    MÔN: KỸ THUẬT THỰC PHẨM III ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LÊN MEN GVHD: Đào Thiện SVTH: Lê Thị Phú 2005110401 Trương Quốc Thịnh 2005110529 Nguyễn Mai Phương Thảo 2005110484 Phạm Thị Diễm My 2005100008 Tạ Huỳnh Thiên Hương 2005110125 TP. HCM 10/2013 TP. HCM 11/2013 BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Tên thành viên Nội dung thực hiện Đánh giá Kí tên 1. Nguyễn Mai Phương Thảo Mở đầu Hộp nhóm đầy đủ. 2. Phạm Thị Diễm My Đo pH và điều chỉnh pH Hộp nhóm đầy đủ. 3. Lê Thị Phú Điều chỉnh lượng oxy Hộp nhóm đầy đủ, hoàn thành tốt. 4. Trương Quốc Thịnh Kiểm soát sự tạo bọt Hộp nhóm đầy đủ. 5. Tạ Huỳnh Thiên Hương Đo nhiệt độ và điều khiển nhiệt độ Hộp nhóm đầy đủ. 6. Võ Thị Hóa Kết luận Tổng hợp Word Hộp nhóm đầy đủ, hoàn thành nhiệm vụ tốt. MỤC LỤC 2 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Công nghệ sinh học ngày càng phát triển mạnh mẽ với những bước tiến mới. Ngày nay, việc nghiên cứu, phát triển và áp dụng các tiến bộ này vào nhiều lĩnh vực để phục vụ cho đời sống đang rất được quan tâm. Công nghiệp sản xuất các sản phẩm lên men phát triển mạnh mẽ từ đây. Những phát hiện mới trong lĩnh vực sinh học phân tử đã thay đổi quan điểm của các nhà khoa học về việc đánh giá quá trình phát triển của hệ vi sinh vật. Mặt khác cũng tạo ra phần nào cái nhìn mới về tính phức tạp cũng như các quá trình chuyển đổi trong quá trình lên men để đem lại sự đa dạng về mùi vị, kết cấu thành phần và chủng loại các sản phẩm. Công nghệ lên men đang là lĩnh vực đang dược nghiên cứu, phát triển bới tính thiết thực và các sản phẩm của quá trình này rất đa dạng, phong phú, cung cấp một lượng lớn các sản phẩm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của đời sống. Tạo cho quá trình lên men có hiệu quả cao, năng suất tốt thì quá trình lên men cần được kiểm soát một cách tối ưu sao cho các sản phẩm thu được đáp ứng được các nhu cầu về số lượng lẫn chất lượng mà yếu tố then chốt để đạt được chính là: “ Điều khiển quá trình lên men” 2. Đối tượng và mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chủ yếu là quá trình lên men và các yếu tố điều khiển quá trình này. Chúng tôi cung cấp những thông tin tổng quan về quá trình này và bàn luận về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất của quá trình lên men (giống vsv, nhiệt độ, pH, các thiết bị…) 3 Việc tối ưu hoá quá trình lên men nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm đã trở thành một yếu tố quan trọng trong kỹ thuật lên men. Đã có rất nhiều nghiên cứu về những yếu tố ảnh hưởng như pH, nhiệt độ… Những nghiên cứu này đã chỉ ra hướng đi quan trọng trong công nghệ lên men hiện, tìm ra các điều kiện lên men thích hợp nhằm nâng cao chất lượng và năng suất sản phẩm. 3. Ý nghĩa đề tài Nghiên cứu các kĩ thuật trong quá trình lên men. Qui trình lên men trong công nghiệp, từ đó có thể rút ra các kết luận về cơ chế, ảnh hưởng , cũng như việc điều khiển quá trình lên men nhằm tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh. Tạo bước tiến quan trọng trong việc tiếp cận công nghệ vi sinh. Nắm bắt được quá trình nghiên cứu. Tạo ra cái nhìn tổng quan về ngành học. Cung cấp những kiến thức cơ sở cho quá trình học tập, nghiên cứu sau này,… Quá trình nghiên cứu chắc hẳn không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự góp ý từ Thầy và các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện 4 NỘI DUNG I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN 1. Lên men là gì? Công nghệ lên men, hay công nghệ quá trình sinh học (bioprocess technology) bắt nguồn từ việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất các sản phẩm thực phẩm như phomat, sữa chua, các loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương, đồ uống (rượu, bia, nước giải khát). Trong sinh hóa: lên men là quá trình phát sinh năng lượng trong đó chất hữu cơ vừa là chất cho điện tử, vừa là chất nhận điện tử cuối cùng. Trong công nghiệp: lên men mô tả bất cứ quá trình sản xuất sản phẩm bởi nuôi cấy sinh khối tế bào trong một thiết bị phản ứng sinh học. 2. Quy trình lên men Quy trình lên men cơ bản gồm 6 bước: Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinh giống và sản xuất. Bước 2: thanh trùng môi trường, nồi lên men và các thiết bị kèm theo. Công đoạn này rất quan trọng bởi nó quyết định chất lượng và sự thành công của cả quá trình lên men. Nếu quá trình thanh trùng thiết bị có những sai sót, các vi sinh vật khác sẽ xâm nhập vào làm hư hỏng môi trường, gây tạp nhiễm dẫn đến sản phẩm tạo thành không như mong muốn. Bước 3: nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để cung cấp cho các bồn lên men trong công đoạn sản xuất. Giống cần phải thuần, sinh trưởng mạnh, không đòi hỏi quá cao về môi trường nuôi cấy và không chứa các vi sinh vật tạp nhiễm… 5 Bước 4: cung cấp các điều kiện tối ưu cho phát triển của giống để giống để giống sản sinh sản phẩm. Bước 5: chiết tách sản phẩm, tiến hành tinh sạch, bao gói và bảo quản sản phẩm… Bước 6: xử lí những chất thải tạo ra trong quy trình. 3. Các yếu tố cần thiết để tăng hiệu quả quá trình lên men Để đạt hiệu quả lên men cao thì cần đáp ứng những yêu cầu sau: − Thiết bị lên men phải được thiết kế sao cho hạn chế sao cho hạn chế đến thấp nhất khả năng tạp nhiễm. − Thể tích dịch nuôi cấy trong thiết bị phản ứng phải duy trì ổn định tránh thất thoát hoặc bay hơi. − Mức độ O 2 hòa tan phải được điều chỉnh phù hợp. − Các thông số như nhiệt độ, pH cần được kiểm soát chặt chẽ, các thành phần phản ứng phải được phối trộn tốt. Khi tiến hành lên men, để điều khiển quá trình làm việc ở chế độ tối ưu với các yêu cầu công nghệ là rất quan trọng. Muốn công việc điều khiển có kết quả thì trước hết phải đo các thông số đặc trưng cho quá trình lên men, các thiết bị đo lường cũng như trong công nghệ hoá học, nhưng có những sai khác để phù hợp với công nghiệp vi sinh vật. Các thao tác trở nên phức tạp bởi phải giữ tuyệt đối vô trùng cho lên men. Các thông số cần đo là nhiệt độ, pH, oxy hoà tan, sự tạo thành bọt, thành phần khí thoát ra, sự phát triển của vi sinh vật và tạo sản phẩm trong môi trường, công suất tiêu thụ của máy khuấy, vận tốc khuấy, cần phải đo liên tục và có hệ thống. II. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LÊN MEN Để quá trình lên men đạt tối ưu ta cần kiểm soát mọi khâu, mọi công đoạn của quá trình cần được kiểm soát chặt chẽ. Trong đó một số yếu tố cần kiểm soát như: 6 1. Lượng giống cấy : Nếu lượng giống cấy qua ít thì thời gian lên men kéo dài. Ngoài ra, trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, các vi sinh vật nhiễm trong môi trường dễ phát triển và có thể làm ảnh hưởng xấu đến năng suất và chất lượng của sản phẩm. Ngược lại, nếu lượng giống cấy quá nhiều làm tăng chi phí cho quá trình nhân giống. Trong công nghệ lên men thực phẩm, lượng giống cấy quá nhiều sẽ làm thay đổi tỉ lệ các sản phẩm phụ tạo thành trong canh trường lên men. Từ đó giá trị cảm quan của thực phẩm lên men sẽ bị thay đổi. Các nhà sản xuất cần xác định lượng giống cấy thích hợp bằng các phương pháp thực nghiệm. 2. Thời gian lên men: Phụ thuộc vào giống vi sinh vật, dạng sản phẩm cần thu nhận và các yếu tố khác. Khi thu nhận các sản phẩm trao đổi chất như acid amin bởi acid hữu cơ, dung môi hữu cơ, enzyme,… thời gian lên men thường kéo dài 1-3 ngày. Đối với nhóm thực phẩm lên men, thời gian lên men và tàn trữ có thể kéo dài đến hàng tuần, hàng tháng và thậm chí hàng năm. Các nhà sản xuất sẽ xác định thời gian lên men và tàn trữ bằng phương pháp thực nghiệm. 3. Đo nhiệt độ và điều khiển nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, hoạt tính trao đổi chất của vi sinh vật và chất lượng của thực phẩm lên men. Cần chon nhiệt độ lên men thích hợp để năng suất và chất lượng sản phẩm cao nhất, đồng thời tiết kiệm được chi phí sản xuất. Tùy thuộc sinh lý chuẩn nuôi cấy trong khi lên men mà phải giữ nhiệt độ thích hợp trong khoảng dao động 0,1- 0,2 0 C. Để đáp ứng yêu cầu đó người ta cho nước nóng hoặc nước đã được làm lạnh chảy trong một vỏ kép hoặc bộ phận trao đổi nhiệt thích hợp đặt ở bên trong hoặc bên ngoài nồi lên men. 7 Ví dụ như trong sản xuất bia, khi sử dụng nấm men chìm thì nhiệt độ thích hợp của quá trình lên men chính và lên men phụ lần lượt là 6-14 o C và 0-8 o C. Còn nhiệt độ sinh trưởng tối ưu của nấm men chìm là 28-30 o C. Lên men bia ở nhiệt độ thấp nhằm mục đích bão hòa CO 2 cho bia và cải thiện các chỉ tiêu cảm quan của sản phẩm. 4. Đo pH và điều chỉnh pH. Đo pH thực hiện bằng điện cực cắm trực tiếp vào môi trường và cần thiết sẽ điều chỉnh bằng acid hoặc kiềm. Việc tự động cho dung dịch acid hoặc kiềm để giữ pH lên men ở giá trị tối ưu được thực hiện bằng những phương pháp đã dùng trong công nghiệp hóa học nhưng phải dùng các điện cực đặc biệt để có thể chịu được khử trùng và đặt trực tiếp trong nồi lên men. Người ta thường sử dụng điện cực thủy tinh. 8 Điện cực thủy tinh gồm một dây Ag/AgCl bão hòa KCl dạng rắn, đồng thời nó làm tăng độ bền của điện cựu thủy tinh. Vì sẽ đọng lại thành những hạt rất nhỏ trên bề mặt điện cực trong quá trình khử trùng. Điện cực chuẩn ở phần dưới có một đoạn nối làm bằng vật liệu rắn và xốp như amiăng hay sứ. Để đảm bảo cách điện và kín cho nồi lên men những điện cực đó được đệm bằng gioăng Teflon và silicon và lắp trên một tấm thép không rỉ hàn vào nồi lên men. Để bảo vệ máy đo hết sức dễ vỡ đó, người ta đặt nó vào trong một ống trụ bằng thép không rỉ đáy hở có khoan lỗ cho phép môi trường khuấy tiếp xúc với điện cực có điện trở nội khoảng 300 đến 500 mΩ. Mặt khác không thể không nói đến một cải tiến lớn là các điện cực phối hợp, khử khuẩn bằng đường hơi nước trực tiếp và những cực thăm dò dùng vào mục đích đó. Trong những nồi lên men khử khuẩn bằng hơi nước trực tiếp đến áp suất 1 – 2 atm (120 – 1300C) như ở những nồi lớn nhất cực thăm dò chịu áp lực kiểm 764 -31B/H cho phép sử dụng một điện cực phối hợp ở phần đáy nồi lên men. Một đối áp đặt trên mặt của chất điện giải chuẩn, do một áp kế chỉ, để chống lại sự xâm nhập của môi trường nén dưới áp suất, chui quá màng xốp của đoạn nối chứa chất điện giải của điện cựu. 9 Trong những nồi lên men công nghiệp dung tích lớn, toàn bộ điện cực (điện cực thuỷ tinh, điện cực chuẩn, điện cực bù trừ nhệt độ) được lắp đặt trên một mặt bích bằng thép không gỉ, ghép bằng bulong trên thành đứng của nồi lên men ở chiều cao thích hợp và cách điện bằng một đệm Teflon. Toàn bộ điện cực đo pH được nối vào một máy ghi pH ở một máy kiểm soát nối với một van điện tử điều khiển việc cho acid hay kiềm vào nồi lên men. Một số máy đo pH: 5. Điều chỉnh lượng O 2 : Việc cung cấp oxy cho các quá trình lên men hiếu khí là bắt buộc vì nó ảnh hưởng quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm cần thu nhận. Đối với môi trường rắn, người ta thổi không khí vô trùng đi qua lớp canh trường trong thiết bị nuôi cấy. Còn đối với môi trường lỏng, người ta sục không khí vào canh trường, kết hợp với sự khuấy trộn. 10 [...]... mới cho các nghiên cứu, sáng tạo, phát triển công nghệ, Tìm hiểu về lên men và điều khiển quá trình lên men giúp ta chủ động hơn trong quá trình sản xuất, gia tăng năng suất, chất lượng sản phẩm, tự động hóa các quá trình Mặt khác nắm vững cấu tạo và nghiên cứu các thiết bị lên men sẽ giúp quá trình sản xuất diễn ra nhanh chóng, tạo điều kiện cho việc nâng cấp, cải tiến công nghệ Cung cấp những kiến... từng loại vi sinh vật, vào từng điều kiện nuôi cấy để nhằm thu được hiệu suất tối đa 6 Kiểm soát sự tạo bọt trong quá trình lên men Trong quá trình lên men công nghiệp, quá trình thông khí, khoấy trộn liên tục sẽ tạo ra nhiều bọt, các bọt này mang theo không khí và có khối lượng riêng nhẹ hơn nên dung dịch sẽ có khuynh hướng trào lên trên và thoát ra ngoài Trong sản xuất, điều này rất nguy hiểm vì nó... nhiệt độ tăng lên thì độ hoà tan của ôxy giảm Độ hoà tan của O2 trong môi trường giảm đi 2 lần khi nhiệt độ tăng từ 30 – 37 0C Điều này có thể khắc phục bằng cách cho sục khí mạnh hơn trong quá trình lên men Nồng độ O 2 hoà tan cũng sẽ giảm khi dùng các chất hoạt động bề mặt, các chất phá bọt và hàm lượng sinh khối vi sinh vật tăng Trong quá trình nuôi cấy không khí nén được thổi vào thùng lên men có hệ... dụng tỷ số của thể tích không khí/thể tích nồi lên men/ phút Đối với mỗi quá trình lên men cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ thông khí đối với hiệu suất tạo thành sản phẩm Trong sản xuất công nghiệp không khí được nén qua máy nén, qua một hệ thống làm nguội, qua hệ thống lọc để loại hết tạp khuẩn rồi thổi vào các thùng lên men Trong các thùng lên men và các thùng nuôi cấy nhân giống đều có hệ... vệ sinh, không gây vết dơ, bám lên thiết bị làm bẩn thiết bị − Không gây ô nhiễm môi trường và không phát sinh chất thải − Cần được thử có hệ thống trước khi sử dụng, tránh ttrường hợp chất phá bọt tạo điều kiện thuận lợi cho nấm mốc phát triển gây ảnh hưởng đến thành phẩm Hiện nay, trong các nồi lên men đều sử dụng các chất chống tạo bọt để tăng hiệu suất quá trình lên men Các nồi này thường được lắp... nghiệp lên men, các thiết bị, thùng lên men người ta thường sử dụng các cánh khuấy hay cánh đảo để ngăn bọt tràn ra gây nên tạp nhiễm Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản,nhưng nó lại có điểm yếu là kết quả lại không cao, chí phí lắp đặt vận hành phức tạp, chỉ thích hợp cho sản xuất với qui mô vừa và nhỏ Bioreactor là thiết bị quan trọng để thực hiện các quá trình sản xuất sinh sinh học như lên men. .. thành là máy sẽ tự nạp vào nồi một lượng chất phá bọt nhất định 20 III KẾT LUẬN Lên men là một ngành công nghiệp quan trọng, sản xuất ra các sản phẩm có chất lượng phục vụ nhu cầu xã hội, trong nhiều năm qua công nghệ lên men có bước phát triển nhanh chóng đáp ứng được nhiều nhu cầu trong xã hội Ngày nay, công nghệ lên men có mặt ở khắp thế giới và chiếm vị trí đáng kể trong các ngành công nghiệp Sự...Trong trường hợp lên men kỵ khí bắt buộc, sự có mặt của O 2 trong môi trường có thể gây độc và ức chế vi sinh vật giống Đối vói môi trường lỏng, người ta có thể thổi khí trơ (ví dụ như khí N2) vào khoảng không gian được giới hạn giữa bề mặt trên của môi trường và đáy nắp của thiết bị lên men hoặc sục khí trơ vào trong canh trường trong suốt thời gian lên men Tế bào sử dụng O2 để hô hấp... Không khí vào được sử dụng để khuấy trộn canh trường, để đảm bảo nhu cầu oxy cho vi sinh vật và để thải các chất chuyển hoá tạo thành Chính điều đó sẽ giúp hạn chế sự tạo thành bọt trong thiết bị một cách hiệu quả Thiết bị này sử dụng chủ yếu cho quá trình lên men nổi 17 Các thiết bị mà bên trong nó có trang bị các vòi phun, ống khuếch tán, các bộ làm sủi bọt để nạp không khí đều thuộc loại này Không... định đó, lên men đã được ứng dụng ở nhiều nơi, nhiều ngành Song, cần nghiên cứu và phát triển chúng một cách hợp lí và hiệu quả Về khía cạnh sinh học, ngành này cung cấp nhiều hướng đi trong lĩnh vực công nghệ sinh học Việc tạo ra các dòng nấm men bằng cách ứng dụng công nghệ gen, công nghệ tế bào, nhằm tối ưu hoá phương thức sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm đang ngày càng được quan tâm Điều đó . nghệ lên men hiện, tìm ra các điều kiện lên men thích hợp nhằm nâng cao chất lượng và năng suất sản phẩm. 3. Ý nghĩa đề tài Nghiên cứu các kĩ thuật trong quá trình lên men. Qui trình lên men trong. cần phải đo liên tục và có hệ thống. II. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LÊN MEN Để quá trình lên men đạt tối ưu ta cần kiểm soát mọi khâu, mọi công đoạn của quá trình cần được kiểm soát chặt chẽ. Trong. là quá trình lên men và các yếu tố điều khiển quá trình này. Chúng tôi cung cấp những thông tin tổng quan về quá trình này và bàn luận về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất của quá