CHƯƠNG 4 Phương thứchoạt động và thiết kế thiết bị lên men thiết kế thiết bị lên men

Chương Phương thức hoạt động thiết kế thiết bị lên men 4.1 Lên men theo mẻ (Batch Fermentation) - Lên men bồn chứa hệ thống kín chứa tất chất dinh dưỡng cần thiết cho trình lên men - Đặc Đặ điểm điể ủ lên lê men theo th mẻẻ  Hệ thống kín  Bồn Bồ lên lê men hệ thống thố vô ô trùng t ù  Hệ thống, thiết bị lên men đơn giản  Tất chất dinh dưỡng cho vào lúc bắt đầu qt lên men - Thời điểm kết thúc trình lên men  VSVngừng phát triển (chất dinh dưỡng cạn kiệt, tích lũy chất độc)  Sau thời gian lên men xác định trước  Đạt nồng độ sản phẩm mong muốn - Sơ đồ hệ thống lên men theo mẻ - Đường cong sinh trưởng VSV - Đường tạo sp sơ cấp (liên kết với phát triển) - Đường tạo sp thứ cấp (không liên kết với phát triển) -Trophophase: pha sinh trưởng chủ động tạo sản phẩm sơ cấp - Idiophase: pha sinh trưởng ổn định tạo sản phẩm thứ cấp Biomass Substrate - Động học trình lên men sx penicillin - Các thông số trình lên men theo mẻ dx/dt = .x x: biomass concentration (g/L) x = Y(S0 – S) Y: yield factor (g biomass produced g-1 substrate consumed)  = maxS/(KS + S) S0: initial substrate concentration (g/L) : specific p growth g rate (h ( -1) S: residual substrate concentration (g/L) dp/dt = qp.x KS: substrate utilization constant p: product concentration (g/L) d /d = Yp/x dp/dx qp: specific rate of product formation (g product g-1 biomass h-1) qp = Yp/x. Yp/x: yield of product in terms of biomass (g product g-1 biomass) - Các dạng lên men theo mẻ có bổ sung chất  Fixed volume fed-batch fermentation: bổ sung chất không làm thay y đổi thể tích môi trường g g cách • Thêm vào dung dịch cô đặc bù vào lượng tổn thất bay bổ sung chất khí • Rút lượng môi trường cũ bổ sung lượng môi trường  Làm giảm nồng độ sản phẩm chất ức chế  Variable fed-batch fermentation: bổ sung chất làm thay đổi thể tích môi trường, g, vsv tiếp p tục ụ p phát triển với tỷ ỷ lệệ sinh trưởng g tối đa dẫn đến nồng độ vsv (sinh khối) cao  Lưu ý tính toán động học trình có liên quan đến thay đổi thể tích - Các cách thức bổ sung chất (feeding strategies) - Ưu nhược điểm cách thức bổ sung - Bổ sung chất điều khiển phản hồi: dựa vào liệu mẻ trước, cần can thiệp vào vận hành bổ sung chất, giảm nguy bị nhiễm ễ trình lên men - Bổ sung chất có điều khiển phản hồi - Các thông số trình lên men theo mẻ bổ sung dx/dt = x x: biomass concentration (g/L) x = Y(S0 – S) Y: yield factor (g biomass per g substrate) : specific p growth g rate (h ( -1) S0: initial substrate concentration (g/L) FSF = X/Y S: residual substrate concentration (g/L) F: feed flow rate (L.h-1) SF: substrate concentration in the feed (g/L) - Ưu điểm  Ngăn ngừa ức chế nồng độ chất cao catabolite repression  Điều khiển tốc độ sinh trưởng nhu cầu (oxygen) vsv, giảm thiểu tạo thành sp không mong muốn  Thu mậtđộ tế bào cao gấp nhiều lần so với lên men theo mẻ không bổ sung chất  Tăng tạo thành sp lên men thứ cấp, giảm độ nhớt tạo điều kiện cho thông khí khuấy ấ trộn - Nhược điểm  Đòi hỏi hiểu biết phát triển vi sinh vật tạo thành sản phẩm  Nếu thiếu kiểm soát có phản hồi dẫn đến biến động không kiểm soát trình  Người điều khiển trình phải đào tạo có kỹ cao 4.3 Lên men liên tục (Continuous Fermentation) - Đặc Đặ điểm điể ủ lên lê men liên liê tục t  Hệ thống mở  Qui Q i mô ô công ô nghiệp, hiệ dùng dù quy mô ô phòng hò thí nghiệm hiệ  Kéo dài pha cấp số, hoạt động trạng thái ổn định (steady state)  Môi trường bổ sung môi trường cũ thoát với tốc độ  Các thông g số q trình ((thể tích môi trường, g, số lượng ợ g vsv ặ sinh khối, nồng độ chất sản phẩm, pH, nhiệt độ, oxy hòa tan,…) trì không đổi suốt trình - Sơ đồ hệ thống lên men liên tục - Các thông số trình lên men liên tục dx/dt = x – Dx  = D (dx/dt = 0) D = 1/t = F/V x: biomass concentration (g/L) : specific ifi growth th rate t (h-11) D: dilution rate (h-1) t: residence time (h) V: volume (L) dS/dt = F: flow rate (L.h (L h-1) - Ưu điểm  Có thể tối ưu hóa suất tạo thành sp tốc độ tăng trưởng cách thay đổi tốc độ đầu vào (feed flow rate)  Kéo dài thời gian tạo suất  Cố định tuần hoàn tế bào vsv  Ảnh Ả hưởng môi trường yếu ế tố ố dễễ dàng kiểm ể soát thay đổi - Nhược điểm  Không thể áp dụng tối ưu số sản phẩm (thực phẩm, đồ uống, kháng sinh, toxin,…)  Nguy bị tạp nhiễm cao  Các chủng đột biến có khả bị hồi biến thay đổi tính chất [...]... ủ lên lê men theo th mẻẻ cóó bổ sung cơ chất hất  Lên men theo mẻ  Không Khô phải hải hệ thống thố kín kí  Bổ sung cơ chất hoặc inducer vào hệ thống vào một thời diểm xđ  VSV phát triển ở tốc độ sinh trưởng mong muốn  Giảm thiểu sự tạo thành sản phẩm không mong muốn (waste)  Thu nhận ậ nồng g độ ộ tế bào ((sinh khối)) và sản p phẩm cao - Sơ đồ hệ thống lên men có bổ sung cơ chất - Các dạng lên. .. biến động không kiểm soát được trong quá trình  Người điều khiển quá trình phải được đào tạo và có kỹ năng cao 4. 3 Lên men liên tục (Continuous Fermentation) - Đặc Đặ điểm điể của ủ lên lê men liên liê tục t  Hệ thống mở  Qui Q i mô ô công ô nghiệp, hiệ ít dùng dù ở quy mô ô phòng hò thí nghiệm hiệ  Kéo dài pha cấp số, hoạt động ở trạng thái ổn định (steady state)  Môi trường mới được bổ sung và. ..  Thiết lập đơn giản, dễ sử dụng  Sản Sả xuất ất sản ả phẩm hẩ thứ cấp ấ (pha ( h ổn ổ định) đị h)  Ít khả năng bị nhiễm - Nhược điểm  Khác biệt theo mẻ  Mẻ cấy bị già hóa ảnh hưởng đến sự tạo thành sp sơ cấp  Sản sinh chất độc ức chế sự phát triển của vsv và tạo thành sp  Sự thoái hóa (degeneration) giống, tự phân (autolysis) của tế bào 4. 2 Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất (Fed-batch Fermentation)... repression  Điều khiển được tốc độ sinh trưởng và nhu cầu (oxygen) của vsv, giảm thiểu sự tạo thành sp không mong muốn  Thu được mậtđộ tế bào cao gấp nhiều lần so với lên men theo mẻ không bổ sung cơ chất  Tăng sự tạo thành sp lên men thứ cấp, giảm độ nhớt tạo điều kiện cho sự thông khí và khuấy ấ trộn - Nhược điểm  Đòi hỏi hiểu biết về sự phát triển của vi sinh vật và sự tạo thành sản phẩm  Nếu thiếu sự... và tốc độ tăng trưởng bằng cách thay đổi tốc độ đầu vào (feed flow rate)  Kéo dài thời gian tạo ra năng suất  Cố định và tuần hoàn tế bào vsv  Ảnh Ả hưởng của môi trường và các yếu ế tố ố dễễ dàng kiểm ể soát được và thay đổi - Nhược điểm  Không thể áp dụng hoặc tối ưu đối với một số sản phẩm (thực phẩm, đồ uống, kháng sinh, toxin,…)  Nguy cơ bị tạp nhiễm cao  Các chủng đột biến có khả năng bị. .. khối) cao  Lưu ý những tính toán động học của quá trình có liên quan đến sự thay đổi thể tích - Các cách thức bổ sung cơ chất (feeding strategies) - Ưu nhược điểm của các cách thức bổ sung - Bổ sung cơ chất không có điều khiển phản hồi: dựa vào dữ liệu của những mẻ trước, cần ít sự can thiệp vào vận hành bổ sung cơ chất, giảm nguy cơ bị nhiễm ễ trong quá trình lên men - Bổ sung cơ chất có điều khiển... chất - Các dạng lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất  Fixed volume fed-batch fermentation: bổ sung cơ chất không làm thay y đổi thể tích môi trường g bằng g cách • Thêm vào dung dịch cô đặc bù vào lượng tổn thất do bay hơi hoặc bổ sung chất khí • Rút ra một lượng môi trường cũ và bổ sung bằng một lượng môi trường mới  Làm giảm nồng độ sản phẩm hoặc chất ức chế  Variable fed-batch fermentation: bổ sung... với tốc độ bằng nhau  Các thông g số q quá trình ((thể tích môi trường, g, số lượng ợ g vsv hoặc ặ sinh khối, nồng độ cơ chất và sản phẩm, pH, nhiệt độ, oxy hòa tan,…) được duy trì không đổi trong suốt quá trình - Sơ đồ hệ thống lên men liên tục - Các thông số quá trình lên men liên tục dx/dt = x – Dx  = D (dx/dt = 0) D = 1/t = F/V x: biomass concentration (g/L) : specific ifi growth th rate t (h-11)... quá trình lên men theo mẻ bổ sung dx/dt = x x: biomass concentration (g/L) x = Y(S0 – S) Y: yield factor (g biomass per g substrate) : specific p growth g rate (h ( -1) S0: initial substrate concentration (g/L) FSF = X/Y S: residual substrate concentration (g/L) F: feed flow rate (L.h-1) SF: substrate concentration in the feed (g/L) - Ưu điểm  Ngăn ngừa sự ức chế do nồng độ cơ chất cao và catabolite .. .4. 1 Lên men theo mẻ (Batch Fermentation) - Lên men bồn chứa hệ thống kín chứa tất chất dinh dưỡng cần thiết cho trình lên men - Đặc Đặ điểm điể ủ lên lê men theo th mẻẻ  Hệ... thống kín  Bồn Bồ lên lê men hệ thống thố vô ô trùng t ù  Hệ thống, thiết bị lên men đơn giản  Tất chất dinh dưỡng cho vào lúc bắt đầu qt lên men - Thời điểm kết thúc trình lên men  VSVngừng... giống, tự phân (autolysis) tế bào 4. 2 Lên men theo mẻ có bổ sung chất (Fed-batch Fermentation) - Đặc Đặ điểm điể ủ lên lê men theo th mẻẻ cóó bổ sung chất hất  Lên men theo mẻ  Không Khô phải hải