NHỮNG HỆ THỐNG CỐ ĐỊNH TẾ BÀO NẤM MEN TRONG ỨNG DỤNG LÊN MEN LIÊN TỤC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM MÔN CÔNG NGHỆ LÊN MEN NHỮNG HỆ THỐNG CỐ ĐỊNH TẾ BÀO NẤM MEN TRONG ỨNG DỤNG LÊN MEN LIÊN TỤC Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 GVHD: Trịnh Khánh Sơn SVTH: Nguyễn Ngọc Phương Anh 11116003 Nguyễn Thị Minh Trang 11116071 Đinh Trọng Thuần 10116063 Khiany Phimavong 111160L1 TÓM TẮT: Trong một số ngành công nghiệp liên quan đến nấm men, hệ thống lên men liên tục cung cấp lợi thế kinh tế rất quan trọng so với các hệ thống truyền thống. Tốc độ lên men được cải thiện đáng kể, đặc biệt là khi lên men liên tục được kết hợp với kỹ thuật cố định tế bào để làm tăng mật độ nấm men trong quá trình lên men. Do đó kỹ thuật này được xem là sự hứa hẹn tuyệt vời cho hiệu quả sản xuất của đồ uống lên men, chẳng hạn như bia, rượu vang và rượu táo cũng như ethanol sinh học. Tuy nhiên, có một số cạm bẫy quan trọng, và vài hệ thống lên men liên tục quy mô công nghiệp đã được triển khai. Trước tiên, chúng ta xem xét các kỹ thuật cố định tế bào khác nhau và thiết lập bồn lên men. Sau đó, ảnh hưởng của sự cố định đến sinh lý tế bào và hiệu suất quá trình lên men được thảo luận. Cuối cùng, chúng ta tập trung vào việc sử dụng thực tiễn quá trình lên men liên tục và các hệ thống cố định tế bào để sản xuất bia. GIỚI THIỆU: Hệ thống lên men truyền thống sử dụng các tế bào nấm men huyền phù tự do trong bồn lên men mẻ. Bồn lên men được làm đầy với môi trường chưa lên men và toàn bộ bồn ('' mẻ'') dần dần được lên men và sau đó ra khỏi bồn. Ngược lại, hệ thống lên men liên tục có một dòng chảy liên tục của môi trường chưa lên men vào bồn lên men và một dòng chảy liên tục tương ứng của sản phẩm lên men ra khỏi hệ thống. Trong hệ thống lên men đơn giản nhất, bồn lên men liên tục hoạt động ở trạng thái ổn định với một dung lượng bằng các sản phẩm thành phẩm chảy ra khỏi hệ thống. Một dòng chảy vào tương đối chậm và một chút không đồng nhất nội bộ giữa các điểm của dòng chảy vào và ra trong bồn lên men là cần thiết để tránh sự hoà trộn trực tiếp của dòng chảy vào chưa lên men và sản phẩm hoàn thành. Ngoài ra, một chuỗi các kết nối các chất lên men riêng biệt có thể được sử dụng để tránh dòng chảy trực tiếp của môi trường chưa lên men vào sản phẩm gần hoàn thiện. Lên men liên tục cung cấp các lợi ích quan trọng, chẳng hạn như tốc độ chuyển đổi cao hơn, tốc độ lên men nhanh hơn, cải thiện tính nhất quán sản phẩm, giảm tổn thất sản phẩm và có lợi cho môi trường. Một khía cạnh quan trọng của quá trình lên men liên tục là hiệu suất thể tích cao, mà thường thu được bằng cách tăng nồng độ tế bào nấm men trong bồn lên men so với hệ thống lên men mẻ truyền thống. Cố định tế bào nấm men trên một số loài hỗ trợ có thể cung cấp mật độ tế bào cao trong phản ứng sinh học, kết hợp với tốc độ chảy cao, dẫn đến thời gian lên men ngắn. Những lợi ích kinh tế là động lực cho một nỗ lực nghiên cứu toàn cầu nhằm mục đích nghiên cứu và thực hiện các phản ứng lên men liên tục. Hệ thống lên men liên tục xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1960, nhưng ít hệ thống lớn lên quy mô công nghiệp, đó là biểu hiện của nhiều cạm bẫy kỹ thuật và chất lượng liên quan đến công nghệ này. Các phương pháp cố định khác nhau có sẵn để nghiên cứu và bản chất của ứng dụng thường sẽ áp đặt sự lựa chọn. Một kiến thức toàn diện về ảnh hưởng của sự cố định đến hiệu suất quá trình lên men và các thông số ảnh hưởng đến sự cố định là rất quan trọng để điều chỉnh quá trình liên tục và đạt đến một chất lượng sản phẩm có thể chấp nhận được. Ở đây, chúng ta xem xét các thông số phức tạp (kể cả việc cố định men, sinh lý men và thiết kế bồn lên men) và chúng ta thảo luận về ưu và nhược điểm của chúng đối với lên men liên tục. Cuối cùng, chúng ta tập trung vào chi tiết hơn trên một ví dụ cụ thể của quá trình lên men liên tục để sản xuất bia. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ NGUYÊN LIỆU CỐ ĐỊNH Nói chung, bốn loại kỹ thuật cố định có thể được phân biệt, dựa trên cơ chế vật lý của nội địa hóa tế bào và bản chất của cơ chế hỗ trợ:'' gắn với một bề mặt'', ''cạm bẫy trong một ma trận xốp'', ''sự ngăn chặn phía sau một rào cản'' và ''keo tụ nấm men'' (Karel et al. 1985) (Fig. 1). Chất mang công nghiệp đối với thực phẩm lên men không tốn kém, ổn định, tái sử dụng được, không độc hại và nên cho phép nồng độ tế bào nấm men cao với những hạn chế truyền khối nội bộ tối thiểu. Sự gắn kết bề mặt của tế bào nấm men Trong loại cố định này, tế bào nấm men được cho phép gắn vào một nguồn hỗ trợ vững chắc. Nhiều loại vật liệu mang khác nhau đang được sử dụng (Willaert 2006). Sự gắn kết tế bào với chất mang có thể được gây ra bằng cách sử dụng tác nhân liên kết (như oxit kim loại, Glu- taraldehyde hoặc Aminosilane). Tuy nhiên, để sản xuất đồ uống và ethanol, độ kết dính tự nhiên thường được ưa thích hơn việc sử dụng (có khả năng gây hại hoặc không ổn định) chất gây cảm ứng. Sự cố định tự nhiên rất đơn giản và các điều kiện ở mức độ nhẹ, nhưng tỷ trọng tế bào thường không cao như các loại thu được trong các hệ thống mà các tế bào bị bẫy (xem thêm). Hơn nữa, khi không có rào cản giữa các tế bào và dung dịch, tách rời tế bào và di dời là có thể làm được. Trong khi sự kết dính tự nhiên của tế bào nấm men với chất nền vẫn còn khó giải thích, một số cơ chế đã được đề xuất (đại diện cho bài nhận xét, xem Verstrepen and Klis 2006). Hiện tượng kết dính, ví dụ, được tạo bởi tĩnh điện, ion (Lewis acid/base) và tương tác kỵ nước (Lifshitz-van der Waals) (Oliveira 1997), nhưng sự giữ lại trong lỗ trống chất mang và keo tụ nấm men cũng có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình cố định hình thành trước , các chất mang tạo hình thô (Branyik et al. 2004b). Do đó, các đặc tính của tế bào nấm men và chất mang, như kỵ nước, tích điện, các thuộc tính cho và nhận electron cần được xem xét khi thiết kế các chất mang cố định mới. Bẫy trong ma trận xốp Cách cố định chính thứ hai là bẫy trong ma trận xốp. Có hai phương pháp bẫy. Đầu tiên, các tế bào được cho phép khuếch tán vào một ma trận xốp hình thành trước. Sau khi các tế bào bắt đầu phát triển, chuyển động của chúng bị cản trở bởi sự hiện diện của các tế bào khác và ma trận hậu quả là chúng bị kẹt (Baron và Willaert 2004). Sự đính kèm trên bề mặt của vật liệu này cũng có thể xảy ra (Mistler và Breitenbu ¨ cher 1995). Bọt biển, thủy tinh kết dính, gốm sứ, cacbua silic, polyurethane, chitosan và các sợi thép không gỉ là những vật liệu thường được sử dụng (Masschelein 1994; Scott và O'Reilly 1995; Tata và cộng sự năm 1999; Shen et al 2003b). Trong phương pháp thứ hai, ma trận xốp được tổng hợp tại chỗ xung quanh các tế bào. Thông thường, hydrogel polymer tự nhiên và tổng hợp như Ca-alginate, κ-carrageenan, agar, polyurethane, polystyrene và polyvinylalcohol được sử dụng (Ramakrishna và Prakasham 1999). Những hạt polymer thường có dạng cầu với đường kính khoảng từ 0,3 đến 3 mm. Mặc dù có thể thu được tỷ trọng sinh khối cao, bẫy gel ít được chú ý trong ngành công nghiệp lên men vì một số hạn chế, chẳng hạn như hạn chế sự khuếch tán của các chất dinh dưỡng, các chất chuyển hóa và oxy do ma trận gel và mật độ tế bào cao trong các hạt gel, ổn định hóa chất và vật lý của gel và không hoàn nguyên của hạt, làm cho loại cố định này khá tốn kém. Gần đây, những nỗ lực được thực hiện để giải quyết hầu hết các nhược điểm của việc giới thiệu các kỹ thuật mới có thể điều chỉnh kích thước (vi hạt) và hình dạng (hình hạt đậu) của hydrogel (Nedovic và cộng sự 2005a). Ngăn chặn phía sau một rào cản Ngăn chặn các tế bào nấm men phía sau một rào cản có thể đạt được bằng việc sử dụng các bộ lọc màng microporous (vi lỗ xốp) hoặc bẫy của các tế bào trong viên nang siêu nhỏ. Loại cố định này phù hợp nhất khi một sản phẩm tế bào tự do là cần thiết, hoặc khi sản phẩm phân tử lượng cao cần phải được tách ra từ nước thải. Vấn đề cố hữu của kỹ thuật này là hạn chế truyền khối và tắc nghẽn màng tế bào có thể gây ra bởi sự tăng trưởng tế bào (Lebeau và cộng sự 1998). Loại cố định này thì hấp dẫn về mặt năng suất, nhưng dường như chi phí / tỷ lệ lợi ích cho quá trình lên men giá trị gia tăng thấp như bia sẽ vẫn không thuận lợi do các màng hiệu suất cao vẫn còn đắt. Tuy nhiên nhiều nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu công dụng của chúng cho việc sản xuất ethanol (Inloes et al 1983;. Kargupta và cộng sự năm 1998;. O'Brien và cộng sự năm 2000.). Keo tụ nấm men Nấm men phổ biến của các nhà sản xuất bia, Saccharomyces cerevisiae, có khả năng tự nhiên để bám chặt vào các bề mặt trơ cũng như các tế bào nấm men khác, quá trình sau đó được gọi là'' keo tụ''. Keo tụ nấm men là một quá trình thuận nghịch, vô tính và phụ thuộc canxi trong đó các tế bào bám dính vào nhau để tạo thành flocs bao gồm hàng ngàn các tế bào (Bony và cộng sự 1997). Nó liên quan đến lectin - giống như protein, nhô ra khỏi thành tế bào nấm men và liên kết một cách chọn lọc dư lượng mannose hiện có trên thành tế bào của tế bào nấm men liền kề (Kobayashi và cộng sự năm 1998.). Keo tụ nấm men là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào biểu hiện của một số gen cụ thể như FLO1, FLO5, FLO8 và LG-FLO1. Các gen khác, chẳng hạn như FLO11, bám dính vào bề mặt trơ và hình thành màng sinh học trên các nguồn dinh dưỡng (Verstrepen và Klis 2006). Vì kích thước và khối lượng vĩ mô của chúng, nấm men flocs nhanh chóng kết lắng từ các môi trường lên men, do đó cung cấp một sự cố định tự nhiên cho các tế bào. Việc sử dụng nấm men keo tụ rất thu hút, bởi sự đơn giản của nó và chi phí thấp. Tuy nhiên, mọi thứ thì phức tạp hơn chúng có vẻ. Keo tụ bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số, chẳng hạn như điều kiện dinh dưỡng, kích động, nồng độ Ca 2+ pH, nhiệt độ lên men, việc xử lý nấm men và điều kiện bảo quản (Verstrepen et al 2003; Sampermans và cộng sự 2005). Do đó, môi trường tự lên men, và đặc biệt hơn lượng hợp chất glucose, sucrose và nitơ có thể ảnh hưởng đến thành công của việc cố định (Verstrepen et al. 2004). Tuy nhiên các thông số này chưa được nghiên cứu một cách hệ thống và rất khó để dự đoán tác động của môi trường lên kết dính tế bào. Trên hết, keo tụ là một sự biến dạng - hiện tượng đặc biệt (Jin và Speers 1998). Khả năng của các tế bào nấm men để keo tụ có tầm quan trọng đáng kể cho ngành công nghiệp sản xuất bia, vì nó cung cấp một cách hiệu quả và đơn giản để tách hầu hết các tế bào nấm men từ bia tươi ở cuối quá trình lên men. Vì vậy, keo tụ mạnh và hoàn chỉnh là một thuộc tính mong muốn cho tất cả các nấm men của bia. Tuy nhiên, các tế bào nấm men không nên keo tụ trước khi dịch hèm bị suy giảm hoàn toàn, chẳng hạn keo tụ sớm gây trì trệ, gọi là'' treo'', quá trình lên men, có thể dẫn đến các loại bia bị mất hương vị (Verstrepen và cộng sự 2003). Tầm quan trọng ngày càng tăng trong các lò phản ứng keo tụ, vì triển vọng của mật độ tế bào cao trong quá trình liên tục, tiếp tục tăng cường nhu cầu kiểm soát keo tụ nấm men (Xu et al. 2005). Trong trường hợp này, chủng nấm men keo tụ cấu thành (bằng kỹ thuật di truyền) đều mong muốn, bởi vì chủng thông thường chỉ keo tụ trong pha ổn định và do đó các tế bào theo cấp số nhân sẽ bị rửa sạch (Domingues et al. 2000). HÌNH DẠNG LÒ PHẢN ỨNG Nói chung, trong hệ thống lên men cố định liên tục, 5 loại lò phản ứng sinh học đang được sử dụng, được mô tả bằng sơ đồ ở hình. 2. Các lò phản ứng sinh học bao gồm ba pha: rắn (chất mang hoặc khối kết tập), chất lỏng (môi trường) và khí (không khí, oxyhoặc chất khí khác). Đánh giá chi tiết hơn được đưa ra ở nơi khác (Baron et al 1996;. Obradovic và cộng sự năm 2004.). Sự lựa chọn lò phản ứng có liên quan đến các loại hình cố định, đến sự chuyển hóa của các tế bào, và với khối lượng và yêu cầu truyền nhiệt. Trong một lò phản ứng ống phức hợp (Hình 2A), môi trường lên men được truyền hoặc lên hoặc xuống thông qua các phản ứng được phức hợp với các nấm men cố định. Đây là loại lò phản ứng có ưu điểm là đơn giản và khả năng hiện thực hóa một dòng chảy lặp đi lặp lại. Về mặt lý thuyết, duy trì điều kiện dòng chảy lặp đi lặp lại lý tưởng sẽ cho phép các giai đoạn khác nhau của quá trình lên men mẻ được mô phỏng. Điều này đặc biệt hữu ích khi nhiều hương vị cân bằng phải được hình thành trong quá trình lên men. Trong thực tế, những điều kiện lý tưởng thì khó đạt được, và ngoài ra, các lò phản ứng tầng cố định có khuynh hướng bị tạo lòng dòng chảy, hạn chế truyền khối, khó khăn trong việc bài tiết CO2, sự nén ép của một số vật liệu chất mang và làm tắc nghẽn. Trong một lò phản ứng tầng sôi (Hình 2B), pha trộn tập trung khí, chất lỏng và chất rắn xảy ra bởi tái luân chuyển các chất lên men, kết quả là ít mài mòn các hạt chất mang so với các lò phản ứng khuấy trộn. Một dòng chảy của chất lỏng được định hướng thông qua các hạt ở vận tốc cao hơn “tốc độ tạo tầng sôi tối thiểu”. Điều quan trọng là phải xem xét mật độ các hạt tế bào cố định khi thiết kế một hệ thống tầng sôi, bởi vì một sự khác biệt mật độ thấp giữa các chất mang và môi trường có thể gây ra thất bại. Mặt khác, một sự khác biệt lớn có thể làm tăng chi phí bơm. Trong các lò phản ứng không vận (Hình 2C) và cột bong bóng (hình 2D), tuần hoàn được thực hiện bằng cách phun khí. Một lò phản ứng không vận cho tuần hoàn mạnh mẽ hơn đối với các luồng khí giống nhau hơn lò phản ứng cột bong bóng, do hệ thống làm mát và ống gió lò nội bộ, mà tạo ra một khu vực “rising” trong trung tâm của lò phản ứng và một khu vực “downcoming” ở bên ngoài. Với loại lò phản ứng này, chỉ có các hạt cố định với mật độ gần bằng chất lỏng được lựa chọn, chẳng hạn như chất hydrogel hoặc khối kết tập tế bào. Lò phản ứng bể khuấy (hình 2D) được cung cấp với một phương tiện tăng tốc độ truyền khối bằng kích động cưỡng bức, mặc dù phải được quan tâm để đảm bảo rằng vùng hỗ trợ không bị hư hỏng và các tế bào nấm men không bị ảnh hưởng quá nhiều từ ứng suất cắt. Cánh bơm, chẳng hạn như là một dải ruy băng xoắn ốc, vít hoặc mỏ neo, được ưa thích hơn tua-bin cánh quạt hoặc với biên dạng khuấy nhẹ nhàng hơn của chúng. Trong hình. 2E, một lò phản ứng màng tế bào điển hình được mô tả. Trong trường hợp sản xuất ethanol, sự thoát hơi nước qua màng thường được áp dụng như quá trình tách màng, trong đó ethanol tiếp tục được loại bỏ như hơi nước (Mulder 1996; O'Brien và Craig 1996). ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CỐ ĐỊNH LÊN TẾ BÀO NẤM MEN Có nhiều bằng chứng cho thấy sinh lý học của tế bào nấm men cố định khác với tế bào tự do. Một số sự biến đổi này có tác dụng mang lại lợi ích về hiệu suất lên men nhưng nhiều biến đổi khác lại đem đến sự bất lợi. Từ khi chủng S.cerevisiae được tìm thấy gắn kết với nhau hoặc với một bề mặt trong môi trường sinh sống tự nhiên của chúng ( chẳng hạn như nho ), sự cố định có thể được xem như là hình thức phát triển tự nhiên mà nó có thể bảo vệ khỏi áp lực nào đó (Verstrepen và Klis 2006), có liên quan đến ứng suất-FAC. Những phản hồi phủ định điều khoản tham chiếu mà sự cố định áp đặt lên tế bào nấm men, trong đó ảnh hưởng của truyền khối giới hạn là quan trọng nhất. Bẫy trong hạt keo và chất mang trơ cho thấy đặc điểm giới hạn khuếch tán như nhau. Sự hấp phụ chỉ là rào cản cho quá trình truyền khối bên ngoài (giữa môi trường và các chất mang) mà không có giới hạn truyền khối nội bộ. Đặc tính truyền khối nội bộ được quyết định bởi đặc điểm cơ – hóa của yếu tố cố định, ví dụ như: kích thước, độ xốp, cấu trúc. Một thông số quan trọng trong việc đánh giá quá trình truyền khối nội bộ là môđunThiele, được định nghĩa là tỷ số của chất nền được tiêu thụ trên chất nền mới được cung cấp bởi quá trình khuếch tán (Willaert cùng các cộng sự 1996). Vấn đề chính được xem xét là truyền khối bên ngoài là sự chọn lựa bể phản ứng phức hợp và bể phản ứng một tầng hay kích động. Nên cẩn thận trong việc kết luận rằng hoạt tính nấm men cố định có bản chất thay đổi. Để giải quyết vấn đề này, tế bào nấm men có thể được gắn như một lớp đơn (Doran và Bailey 1986, Shen cùng các cộng sự 2003b). Sự so sánh giữa hoạt động trao đổi chất của tế bào cố định và tế bào tự do cho thấy sự hoạt hóa khả năng trao đổi chất mạnh mẽ của nấm men và tăng cả khả năng lưu trữ (glycogen và trehalose) và cấu trúc polysaccharides (glucan và mannan) (Doran và Bailey 1986, Galazzo và Bailey 1990, Jirku cùng các cộng sự 2000). Việc tăng mức độ bội thể và hàm lượng protein trong tế bào cố định, khiến Doran và Bailey (1986) đưa ra giả thuyết rằng do sự gắn kết các tế bào dày đặc bên trong gel, sự sinh sản bằng cách nảy chồi và nhân rộng tế bào, nhưng không có DNA và sản xuất poly-saccharide, bị ngăn cản. Tuy nhiên, sự gia tăng lưu trữ polysaccharides cũng có thể được giải thích bởi tương tác giữa hấp thụ glucose và hoạt động của enzyme phosphofructokinase (Galazzo và Bailey 1990). Việc so sánh tốc độ tăng trưởng đã cho ra nhiều kết quả trái ngược nhau. Số liệu báo cáo đã mô tả sự gia tăng, tốc độ tăng trưởng ổn định hoặc giảm xuống (Norton và D’Amore 1994). Tế bào cố định được xem là kháng lại ethanol hơn là tế bào nấm men huyền phù tự do. Theo Hilge – Rotmann và Rehm (1990), độ bão hòa gia tăng của hàm lượng axit béo của nấm men cố định (do điều kiện thẩm thấu thay đổi trong vi môi trường của các tế bào) có tương quan với sự gia tăng dung nạp. Thật vậy, các tế bào nấm men cố định cho thấy tỷ lệ axit béo bão hòa cao hơn so với các tế bào tự do (Norton cùng các cộng sự1995; van Iersel cùng các cộng sự1999; Jirku cùng các cộng sự 2003; Shen cùng các cộng sự 2003b). Norton cùng cộng sự (1995) cũng như Shen và cộng sự (2003b) tuyên bố rằng chất nền cung cấp một môi trường bảo vệ chống lại độc tố ethanol, vì vậy tế bào nấm men huyền phù cho thấy không gia tăng sự dung nạp ethanol. Kết quả mô tả sơ lược biểu hiện của gen liên quan đến áp lực, HSP12 và SSA3, xác nhận rằng các tế bào cố định nhìn chung ở trong những hoàn cảnh chịu áp lực ít hơn các tế bào tự do, có thể vì môi trường bảo vệ. Ngoài ra, vi môi trường đặc biệt này có thể kích hoạt các quá trình cAMP / PKA, do đó ảnh hưởng đến một số mục tiêu, ví dụ ATF1, dẫn đến sự gia tăng trong việc hình thành este ( Shen cùng các cộng sự 2003a ; Verstrepen cùng các cộng sự 2004 ). Trong bất cứ trường hợp nào, sự cố định có ảnh hưởng lớn đến tính chất màng tế bào của nấm men, có thể gây ra những biến đổi của một số chất tan hệ thống vận chuyển ( b Shen cùng các cộng sự 2003 ). Các thuộc tính quá trình lên men được tăng cường của các hệ thống tế bào cố định cũng có thể được giải thích là do ảnh hưởng tạo mầm CO2 của chất nền ( Scott và O'Reilly1995 ; Shen cùng các cộng sự 2004 ). Một đặc trưng nữa của môi trường trực tiếp có thể là sự suy giảm hoạt độ nước (a w ), điển hình của áp lực khác mà nấm men cố định phải đương đầu với. Các tế bào nấm men phản ứng lại a w thấp hơn này bằng cách đào thải các chất chuyển hóa osmoprotective, như glycerol và proline. Cuối cùng, kiến thức của chúng ta về sinh lý và hoạt động trao đổi chất của tế bào cố định có thể gia tăng đáng kể với việc áp dụng công nghệ mới trong nghiên cứu protein và phép đo hệ gene - biểu hiện gen rộng ( Junter cùng các cộng sự2002 ; Higgins cùng các cộng sự 2003 ; Stoughton 2005 ). CÔNG NGHỆ TẾ BÀO CỐ ĐỊNH TRONG SẢN XUẤT BIA Sản xuất bia là một quy trình sản xuất mẻ theo truyền thống. Phương pháp này bắt nguồn từ Ai Cập cổ đại và được tối ưu hóa mạnh mẽ trong thế kỷ qua bởi sự chuyển đổi của bồn lên men mở rộng để thay thế bồn hình nón, có khả năng lên men một lượng lớn dịch hèm với một sự cải tiến đáng kể chất lượng sản phẩm và vệ sinh.Vào những năm 1960, sự quan tâm về lên men bia liên tục gia tăng mạnh mẽ,khai sinh ra một loạt các hệ thống ( Boulton và Quain 2001 ). Tuy nhiên, các quá trình lên men bia liên tục không bao giờ thành công về phương diện thương mại do nhiều vấn đề thực tế, chẳng hạn như gia tăng nguy cơ ô nhiễm (chủ yếu là do sự cần thiết để lưu trữ bổ sung dịch hèm trong bồn chứa), sự thay đổi trong hương vị bia, thiết kế hệ thống phức tạp và thiếu linh hoạt. Chỉ có quá trình sản xuất bia liên tục của chuỗi nhà máy bia Dominion ở New Zealand bởi Morton Coutts được thực hiện thành công ( Coutts1966 ; Dunbar cùng các cộng sự 1988 ). Trong những năm 1970, có một sự hồi sinh trong việc phát triển hệ thống lên men bia liên tục mới, nhờ sự phát triển của công nghệ tế bào cố định. Những ưu điểm chính của việc sử dụng tế bào cố định để sản xuất bia là nâng cao năng suất tích, cải thiện sự ổn định tế bào, việc thực hiện dễ dàng hơn của vận hành liên tục, cải thiện kiểm soát vận hành, phục hồi tế bào hỗ trợ và tái sử dụng, và đơn giản hóa chế biến sản phẩm ra ( Nedovic cùng các cộng sự 2005 b ). Narziss và Hellich đã phát triển một trong những hệ thống cố định đầu tiên để sản xuất bia. ''Lò phản ứng sinh học biobrew'' của họ bao gồm một bộ lọc Kieselguhr, đặc trưng bởi thời gian lên men ngắn, mặc dù hương vị không đạt yêu cầu ( Narziss và Hellich1971;Narziss 1997 ). Hiện nay, chỉ có nấu bia và sản xuất bia không cồn thu được bằng phương tiện của các lò phản ứng nấm men cố định quy mô thương mại. Trong các quá trình này, không có tăng trưởng nấm men thực tế và hình thành hương vị được yêu cầu. Trong quá trình lên men thứ cấp, diacetyl, chất có hương vị bơ, đang được giảm đến mức hương vị tương đối, acetoin vô hoạt và 2,3-butanediol bởi các tế bào nấm men. Đi-xeton nối đôi này được hình thành trong quá trình lên men chính bởi một decarboxylation oxy hóa ngoại bào của một α-acetolactate, chất rò rỉ từ các quá trình isoleucine – valine. Hai hệ thống nấu chín liên tục đã được triển khai trong công nghiệp cho đến nay: một ở Sinebrychoff Nhà máy bia (Phần Lan, công suất: 1 triệu hl mỗi năm) và một hệ thống khác, được phát triển bởi Kỹ thuật Alfa Laval và Schott (Mensour và cộng sự năm 1997.). Cả hai đều bao gồm một máy tách (để ngăn chặn phát triển các tế bào nấm men trong các giai đoạn tiếp theo), một đơn vị xử lý nhiệt (để đẩy nhanh tiến độ chuyển đổi hóa học của α- acetolactate thành diacetyl và acetoin), và một lò phản ứng khuôn đầu tràn với nấm men cố định trên hạt DEAE-cellulose hoặc hạt thủy tinh xốp (để giảm diacetyl còn lại) tương ứng. Sau đó, các chất mang DEAE-cellulose được thay thế bằng gỗ vụn giá rẻ hơn (Virkaja¨ rvi 2002). Gần đây, xử lý nhiệt đã được thay thế bởi sự chuyển hóa enzyme trong một lò phản ứng cố định, trong đó decarboxylase α-acetolactate được cố định trong viên nang đa lớp đặc biệt, tiếp theo là giảm diacetyl bằng nấm men trong một lò phản ứng ống phức hợp thứ cấp (Nitzsche và cộng sự 2001). Mục tiêu chính trong quá trình lên men của bia không cồn là giảm hương vị dịch hèm cacbonyl bằng nấm men, không có sự hình thành cồn, và do đó nó tương tự như quá trình lên men thứ cấp. Theo truyền thống, bia không cồn được sản xuất bằng quá trình lên men mẻ bắt buộc. Việc giữ các tế bào nấm men trong điều kiện ổn định tối ưu ở nhiệt độ thấp dẫn đến việc giảm trọn vẹn hơn dịch hèm carbonyls với một lượng tối thiểu của quá trình hình thành cồn. [...]... thường cao hơn trong hệ thống tế bào cố định (có thể do thời gian cư trú ngắn, do đó việc giảm diacetyl không đủ diễn ra) Bia được sản xuất trong quá trình này trong vòng 3-5 ngày Ở Bảng 1, hầu hết các hệ thống phòng thí nghiệm và quy mô thí điểm triển vọng nhất cho liên tục lên men chính bia trong tương lai được tóm tắt Bảng 1 Triển vọng hệ thống nấm men cố định cho quá trình lên men chính bia KẾT... có liên quan chặt chẽ đến sự chuyển hóa acid amin và do đó sự tăng trưởng của tế bào nấm men, sự khác biệt trong trạng thái trao đổi chất tăng trưởng giữa các hệ thống tế bào nấm men huyền phù tự do và cố định có lẽ chịu trách nhiệm nhiều nhất cho phần lớn các thay đổi trong hương vị bia Vì lý do đó, điều quan trọng là tình trạng sinh lý và trao đổi chất của nấm men trong hệ thống lên men mẻ truyền thống. .. mất hương vị được quan sát trong các hệ thống lên men liên tục cũng có thể là một giải pháp (Verstrepen và Pretorius 1990) Ví dụ, hệ thống đa tầng của nhà máy bia Kirin Nhật Bản (nhà máy thí điểm 10.0 hl) được mô tả trong hình 3 Trong quá trình phát triển của hệ thống này, giả định sau đây đã được đề ra: '' nếu trạng thái sinh lý của nấm men trong quá trình lên men là như nhau, các loại bia chất lượng... điểm tiềm tàng, quá trình lên men liên tục với nấm men cố định vẫn chưa được áp dụng trên quy mô công nghiệp, vì ưu thế chi phí chưa thực hiện được, một số vấn đề kỹ thuật và đặc tính sinh lý và trao đổi chất nấm men bị thay đổi, ảnh hưởng đến hương vị của đồ uống hoặc hiệu suất quá trình lên men Hơn nữa, chi phí vận chuyển là một nhân tố quyết định tính khả thi của hệ thống cố định Thúc đẩy bởi các cuộc... tốt trong quá trình lên men liên tục với nấm men cố định Các tối ưu hóa thông khí và nhiệt độ dường như là một công cụ quan trọng đối với việc kiểm soát hương vị - hợp chất hoạt tính (Smogrovicova và Do ¨ me'ny 1999; Virkaja ¨ RVI và cộng sự năm 1999; Bra'nyik và cộng sự 2004a) Ngoài ra, việc sử dụng các chủng nấm men biến đổi gen với cấu trúc hương vị phù hợp để chống lại mất hương vị được quan sát trong. .. 1995) Do đó, giai đoạn đầu tiên bao gồm một lò phản ứng bể khuấy đều được sục khí cho sự phát triển nấm men với một mức tiêu thụ nitơ amin tự do mong muốn Hệ quả là, cồn được hình thành và giảm độ pH Giữa phản ứng đầu tiên và thứ hai, nấm men được ly tâm để ngăn chặn oxy hóa, tăng trưởng nấm men được giới thiệu trong giai đoạn thứ hai Trong các lò phản ứng ống phức hợp chủ yếu este và ethanol được tạo... ethanol được tạo ra kỵ khí Hạt gel Ca-alginate ban đầu được chọn là chất mang nguyên liệu để cố định các tế bào nấm men, nhưng chúng sau này được thay thế bằng hạt gốm sứ, vì khả năng tồn tại lâu hơn nấm men Để cải thiện khả năng làm mát trong quá trình nhân rộng, ống làm mát đã được đưa vào trong các lò phản ứng ống phức hợp Ở giai đoạn thứ ba, được đi trước bằng bước xử lý nhiệt và tương tự giai đoạn...Bavaria (Hà Lan) đang sử dụng lò phản ứng cố định nấm men phức hợp với công suất sản xuất 150.000 hl bia không cồn mỗi năm (van Dieren 1995) Trong quá trình lên men chính của bia, không chỉ có ethanol được sản xuất, mà còn một phức hợp của các hương vị - chất chuyển hóa thứ cấp hoạt tính, trong đó (hoặc rượu tạp) cồn và este cao phân tử ( đóng góp vào hương... khủng hoảng năng lượng gần đây, tăng cường nghiên cứu nhằm phát triển các lò phản ứng được cải thiện, sự hiểu biết tốt hơn về sinh lý học của các hệ thống tế bào cố định và các cơ chế cố định, cùng với việc tìm kiếm các vật liệu chất mang giá rẻ, sáng tạo và mới lạ, nên cho phép triển khai thực hiện tổng quát hơn công nghệ đầy hứa hẹn này . dụng thực tiễn quá trình lên men liên tục và các hệ thống cố định tế bào để sản xuất bia. GIỚI THIỆU: Hệ thống lên men truyền thống sử dụng các tế bào nấm men huyền phù tự do trong bồn lên men. dòng chảy liên tục của môi trường chưa lên men vào bồn lên men và một dòng chảy liên tục tương ứng của sản phẩm lên men ra khỏi hệ thống. Trong hệ thống lên men đơn giản nhất, bồn lên men liên tục. trình lên men liên tục là hiệu suất thể tích cao, mà thường thu được bằng cách tăng nồng độ tế bào nấm men trong bồn lên men so với hệ thống lên men mẻ truyền thống. Cố định tế bào nấm men trên