Bài giảng công nghệ lên men

MỤC LỤCCHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM LÊN MEN VÀ ỨNG DỤNG ................................... 41. Khái niệm lên men ............................................................................................... 42. Ứng dụng của các quá trình lên men ................................................................. 52.1. Sản xuất sinh khối vi sinh vật .......................................................................... 52.2. Sản xuất enzyme vi sinh vật .............................................................................. 52.3. Sản xuất các chất trao đổi vi sinh vật .............................................................. 52.4. Sản xuất các sản phẩm tái tổ hợp .................................................................... 62.5. Hỗ trợ các quá trình biến nạp .......................................................................... 93. Quá trình phát triển của công nghiệp lên men ................................................. 9CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONGQUÁ TRÌNH LÊN MEN ......................................................................................... 101. Phân loại phương pháp lên men .............................................................................. 112. Phương pháp lên men mẻ........................................................................................ 113. Phương pháp lên men liên tục................................................................................. 154. Phương pháp lên men mẻbổ sung (fedbatch) ....................................................... 175. Lên men mật độ cao ................................................................................................ 19CHƯƠNG 3. SƠ ĐỒ LƯU TRÌNH HỆ THỐNG LÊN MEN CÔNGNGHIỆP 201. Giới thiệu ................................................................................................................ 202. Các công đoạn của qui trình lên men ...................................................................... 213. Hệ thống thiết bị liên quan đến qui trình lên men .................................................. 28CHƯƠNG 4. MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY TRONG LÊN MEN CÔNGNGHIỆP 341. Giới thiệu ................................................................................................................ 342. Thiết kế môi trường lên men................................................................................... 343. Các thành phần của môi trường lên men ................................................................ 374. Đánh giá môi trường ............................................................................................... 505. Phương pháp đường hóa tạo dung dịch glucose từ tinh bột.................................... 506. Phương pháp xử lý mật rỉ đường tạo dung dịch đường phục vụ cho lên men ........ 52CHƯƠNG 5. KHỬ TRÙNG TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP .................. 541. Mục đích khử trùng trong lên men ......................................................................... 542. Yêu cầu khi khử trùng ............................................................................................ 553. Phương pháp khử trùng ........................................................................................... 554. Động học sự chết của vi sinh vật bởi nhiệt ............................................................. 575. Khử trùng môi trường ............................................................................................. 605.1. Khử trùng theo phương pháp liên tục .............................................................. 605.2. Khử trùng theo phương pháp mẻ ..................................................................... 636. Khử trùng nồi lên men ............................................................................................ 647. Lọc không khí ......................................................................................................... 65CHƯƠNG 6. KIỂM SOÁT NUÔI CẤY ............................................................ 661. Kiểm soát tăng trưởng tế bào .................................................................................. 662. Kiểm soát pH .......................................................................................................... 703. Kiểm soát nhiệt độ .................................................................................................. 724. Kiểm soát hàm lượng oxygen hòa tan trong môi trường lên men .......................... 7535. Kiểm soát tốc độ bổ sung môi trường dinh dưỡng trong quá trình lên men ........... 786. Phá bọt trong quá trình lên men .............................................................................. 806. 1. Tạo bọt và các nhân tố gây tạo bọt ................................................................. 816.2. Những trở ngại gây nên bởi bọt ....................................................................... 816.3. Kiểm soát bọt ................................................................................................... 817. Theo dõi và tính toán kết quả lên men .................................................................... 841. Nồng độ sản phẩm .............................................................................................. 842. Sản lượng ............................................................................................................ 853. Hiệu suất ............................................................................................................. 85CHƯƠNG 7. TỐI ƯU HOÁ HỆ THỐNG LÊN MEN ...................................... 891. Cải tiến giống ......................................................................................................... 892. Cải tiến thiết bị ...................................................................................................... 903. Tăng cường các điều kiện thích hợp trong quá trình nuôi cấy ......................... 90CHƯƠNG 8. NHIỄM TẠP KHUẨN VÀ NGUYÊN TẮC PHÒNGCHỐNG TẠP NHIỄM ............................................................................................. 961. Hậu quả của sự nhiễm tạp khuẩn ............................................................................ 962. Phát hiện tạp nhiễm ................................................................................................. 963. Nguyên nhân tạp nhiễm .......................................................................................... 974. Nguyên tắc phòng chống nhiễm trong lên men ...................................................... 975. Cách phát hiện đánh giá nguồn gốc tạp nhiễm ..................................................... 996. Một số điểm cần lưu ý khi truy tìm nguồn gốc gây tạp nhiễm ............................. 101CHƯƠNG 11. BÀI TẬP ÁP DỤNG ................................................................... 1021. Bài tập .................................................................................................................. 1022. Bài giải ................................................................................................................. 104TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 110PHẦN PHỤC LỤC ................................................................................................. 111

MỤC LỤC CHƯƠNG KHÁI NIỆM LÊN MEN VÀ ỨNG DỤNG Khái niệm lên men Ứng dụng trình lên men 2.1 Sản xuất sinh khối vi sinh vật 2.2 Sản xuất enzyme vi sinh vật 2.3 Sản xuất chất trao đổi vi sinh vật 2.4 Sản xuất sản phẩm tái tổ hợp 2.5 Hỗ trợ trình biến nạp Quá trình phát triển công nghiệp lên men CHƯƠNG ĐỘNG HỌC TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN 10 Phân loại phương pháp lên men 11 Phương pháp lên men mẻ 11 Phương pháp lên men liên tục 15 Phương pháp lên men mẻ-bổ sung (fed-batch) 17 Lên men mật độ cao 19 CHƯƠNG SƠ ĐỒ LƯU TRÌNH HỆ THỐNG LÊN MEN CƠNG NGHIỆP 20 Giới thiệu 20 Các cơng đoạn qui trình lên men 21 Hệ thống thiết bị liên quan đến qui trình lên men 28 CHƯƠNG MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 34 Giới thiệu 34 Thiết kế môi trường lên men 34 Các thành phần môi trường lên men 37 Đánh giá môi trường 50 Phương pháp đường hóa tạo dung dịch glucose từ tinh bột 50 Phương pháp xử lý mật rỉ đường tạo dung dịch đường phục vụ cho lên men 52 CHƯƠNG KHỬ TRÙNG TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 54 Mục đích khử trùng lên men 54 Yêu cầu khử trùng 55 Phương pháp khử trùng 55 Động học chết vi sinh vật nhiệt 57 Khử trùng môi trường 60 5.1 Khử trùng theo phương pháp liên tục 60 5.2 Khử trùng theo phương pháp mẻ 63 Khử trùng nồi lên men 64 Lọc khơng khí 65 CHƯƠNG KIỂM SỐT NI CẤY 66 Kiểm soát tăng trưởng tế bào 66 Kiểm soát pH 70 Kiểm soát nhiệt độ 72 Kiểm sốt hàm lượng oxygen hòa tan môi trường lên men 75 Kiểm sốt tốc độ bổ sung mơi trường dinh dưỡng trình lên men 78 Phá bọt trình lên men 80 Tạo bọt nhân tố gây tạo bọt 81 6.2 Những trở ngại gây nên bọt 81 6.3 Kiểm soát bọt 81 Theo dõi tính tốn kết lên men 84 Nồng độ sản phẩm 84 Sản lượng 85 Hiệu suất 85 CHƯƠNG TỐI ƯU HOÁ HỆ THỐNG LÊN MEN 89 Cải tiến giống 89 Cải tiến thiết bị 90 Tăng cường điều kiện thích hợp q trình ni cấy 90 CHƯƠNG NHIỄM TẠP KHUẨN VÀ NGUYÊN TẮC PHÒNG CHỐNG TẠP NHIỄM 96 Hậu nhiễm tạp khuẩn 96 Phát tạp nhiễm 96 Nguyên nhân tạp nhiễm 97 Nguyên tắc phòng chống nhiễm lên men 97 Cách phát - đánh giá nguồn gốc tạp nhiễm 99 Một số điểm cần lưu ý truy tìm nguồn gốc gây tạp nhiễm 101 CHƯƠNG 11 BÀI TẬP ÁP DỤNG 102 Bài tập 102 Bài giải 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHẦN PHỤC LỤC 111 CHƯƠNG KHÁI NIỆM LÊN MEN VÀ ỨNG DỤNG Khái niệm lên men Thuật ngữ “lên men” bắt nguồn từ động từ “fervere” tiếng Latin, có nghĩa làm sôi bọt (nổi bọt), nhằm mô tả tượng hoạt động nấm men dịch chiết trái dịch chiết đại mạch Hiện tượng sôi bọt CO2 sinh phân giải hiếu khí loại đường diện dịch chiết Tuy nhiên, nhà sinh hoá nhà sinh vật học thuật ngữ lên men có ý nghĩa khác Về phương diện sinh hóa lên men có ý nghĩa liên quan đến sinh lượng trình phân giải hợp chất hữu cơ, đó, phương diện vi sinh vật học cơng nghiệp nghĩa lên men rộng Sự phân giải đường trình oxy hoá dẫn đến việc tạo thành phân tử pyridine nucleotides dạng khử sau phân tử lại tiếp tục bị oxy hoá cho trình Trong điều kiện hiếu khí, oxy hóa phân tử pyridine nucleotides diễn chuyển điện tử thông qua hệ thống cytochrome mà oxygen đóng vai trò chất nhận điện tử cuối Tuy nhiên, điều kiện kỵ khí, oxy hoá pyridine nucleotides dạng khử diễn với khử hợp chất hữu mà thường sản phẩm trung gian trình phân giải Đối với trường hợp hoạt động nấm men dịch nước trái dịch chiết ngũ cốc, NADH hình thành nhờ khử acid pyruvic thành ethanol Các chủng vi sinh vật khác có khả khử pyruvate thành sản phẩm khác đa dạng Do vậy, thuật ngữ lên men sử dụng theo ý nghĩa sinh hóa q trình sinh lượng chất hữu đóng vai trò vừa chất cho vừa chất nhận điện tử Quá trình sinh tổng hợp alcohol nhờ tác động nấm men dịch chiết đại mạch dịch chiết trái thực với qui mô lớn từ lâu trở thành chất trao đổi vi sinh vật sản xuất công nghiệp Do vậy, nhà vi sinh vật học công nghiệp mở rộng khái niệm lên men để mô tả qui trình sản xuất mà sản phẩm sinh nhờ nuôi cấy vi sinh vật Việc sản xuất bia dung môi hữu xem trình lên men theo nghĩa sinh hoá học vi sinh vật học Trong tài liệu này, thuật ngữ lên men sử dụng theo nghĩa rộng bao hàm hai Cần phân biệt khái niệm: Chất cho điện tử Chất nhận điện tử cuối Lên men (sinh hố) Chất hữu Hơ hấp hiếu khí Chất hữu Hơ hấp kỵ khí Chất hữu Hợp chất hữu Oxygen Hợp chất vô (nitrate, sulphate) Thuật ngữ lên men mở rộng bao gồm ba khái niệm Ứng dụng trình lên men 2.1 Sản xuất sinh khối vi sinh vật Công nghiệp sản xuất sinh khối vi sinh vật chia thành hai qui trình (1) sản xuất nấm men dùng cơng nghiệp bánh mì, (2) sản xuất tế bào vi sinh vật dùng thực phẩm cho người cho động vật (protein đơn bào) Nấm men bánh mì sản xuất theo qui mô công nghiệp từ năm 1900 nấm men sản xuất dùng làm thực phẩm cho người Đức Đại chiến thứ I Tuy nhiên đến năm 1960 sản xuất sinh khối vi sinh vật khai thác mạnh mẽ Và từ năm 1970, qui trình liên tục theo qui mơ lớn thiết lập đưa vào sản xuất sinh khối vi sinh vật phục vụ cho động vật 2.2 Sản xuất enzyme vi sinh vật Enzyme thương mại sản xuất từ thực vật, động vật vi sinh vật Tuy nhiên, enzyme vi sinh vật có nhiều ưu vượt trội sản xuất với lượng lớn kỹ thuật lên men Hơn dễ dàng làm tăng sản lượng hệ thống vi sinh so với qui trình sản xuất từ nguồn thực vật hay động vật Bên cạnh đó, tiến kỹ thuật DNA tái tổ hợp giúp sản xuất enzyme có nguồn gốc động vật nhờ chủng vi sinh vật Các enzyme dùng chủ yếu công nghiệp thực phẩm ngành cơng nghiệp có liên quan khác (Bảng 1) Q trình ni cấy vi sinh vật để sản xuất enzymes kiểm soát chặt chẽ Ngày nay, người ta sử dụng số kỹ thuật sinh học phân tử để tăng cường suất sản xuất chủng tăng cường chất cảm ứng, đột biến genes, hay kỹ thuật tái tổ hợp genes 2.3 Sản xuất chất trao đổi vi sinh vật Cùng với giai đoạn tăng trưởng, thay đổi q trình ni cấy chủng vi sinh vật mô tả thông qua sản phẩm mà chúng sinh phase khác đường cong tăng trưởng Ở log phase, sản phẩm sinh chủ yếu phục vụ cho tăng trưởng tế bào, bao gồm amino acids, nucleotides, lipids, carbohydrates… Những sản phẩm xem sản phẩm sơ cấp biến dưỡng, phase gọi trophophase Rất nhiều sản phẩm sơ cấp có giá trị kinh tế cao ngày sản xuất phương pháp lên men (Bảng 2) Sự tổng hợp chất trao đổi sơ cấp chủng vi sinh vật hoang dại đủ cho nhu cầu tế bào chúng Do nhiệm vụ nhà vi sinh vật học công nghiệp phải cải biến chủng cung cấp điều kiện nuôi cấy cần thiết để cải thiện suất sinh tổng hợp chất Trong phase ổn định, số chủng tổng hợp hợp chất mà chúng không tổng hợp log phase, chất khơng có vai trò rõ ràng trình biến dưỡng tế bào chúng xem chất trao đổi thứ cấp, phase gọi idiophase Vi sinh vật tăng trưởng môi trường tự nhiên tốc độ thấp, điều khiến người ta cho rằng, tự nhiên idophase chiếm ưu trophophase Khơng phải tồn vi sinh vật có biến dưỡng thứ cấp, ví dụ trường hợp vi khuẩn Enterobacteriaceae khơng tìm thấy có sản phẩm thứ cấp Đơi khó để phân biệt sản phẩm sơ cấp hay thứ cấp động học sinh tổng hợp hợp chất định thay đổi tùy thuộc vào điều kiện ni cấy Vai trò sinh lý biến dưỡng thứ cấp tế bào vi sinh vật tranh luận nhiều, người ta quan tâm đến vai trò quan trọng chất trao đổi trung gian nhiều Có nhiều chất trao đổi thứ cấp có hoạt tính kháng khuẩn, enzyme ức chế, số chất thúc đẩy tăng trưởng nhiều chất có dược tính Do vậy, sản phẩm biến dưỡng thứ cấp hình thành nên sở nhiều qui trình lên men khác Cũng giống trường hợp chất trao đổi sơ cấp, chủng vi sinh vật hoang dại có khuynh hướng tổng hợp chất trao đổi thứ cấp với nồng độ thấp tổng hợp kiểm soát cảm ứng, ức chế dị hóa hệ thống phản hồi 2.4 Sản xuất sản phẩm tái tổ hợp Sự phát triển công nghệ DNA tái tổ hợp mở rộng tiềm ứng dụng công nghệ lên men, tạo sản phẩm lên men khác nhau, phục vụ cho sống người Các genes sinh vật bậc cao đưa vào tế bào vi sinh vật chủng có khả tổng hợp protein ngoại Có nhiều chủng vi sinh vật khác dùng làm tế bào chủ cho hệ thống biểu bao gồm E.coli, Sac cerevisiae nấm sợi Các sản phẩm sinh từ chủng biến đổi di truyền gồm: interferon, insulin, albumin huyết người, nhân tố tăng trưởng biểu bì, chymosin bê, somatostatin bò Khi thiết kế hệ thống biểu sản phẩm tái tổ hợp cần ý đến số vấn đề: tiết sản phẩm, giảm thiểu phân hủy sản phẩm kiểm sốt sinh tổng hợp tồn tiến trình lên men, tối ưu hóa biểu genes ngoại Bảng 1 Các ứng dụng enzyme thương mại Công nghiệp Ứng dụng Cơng nghiệp bánh mì Giảm độ nhớt trình nhào bột, tăng cường độ mềm mại, trì độ tươi bột xay bột Cải thiện cấu trúc, giảm thời gian trộn, tăng thể tích ổ bánh mì Cơng nghiệp bia Tăng cường độ nghiền nhừ Chống lại ảnh hưởng khí lạnh Cải thiện độ lọc tinh Công nghiệp ngũ cốc Xử lý thực phẩm ăn nhanh Trong chế biến socola Sản xuất dịch si-rô Coffee Lên men hạt cà-fé Trong xay café Làm chế phẩm cà-fé cô đặc Sản xuất lọai bánh kẹo Sản xuất lọai siro có hàm lượng maltose cao Siro bắp Sản xuất loại siro có số DE thấp Sản xuất glucose từ siro bắp Sản xuất siro fructose Sản xuất dịch thủy phân protein Chế biến sữa On định sửa bay Sản xuất sữa đặc, kem, thức ăn tráng miệng dạng động lạnh Sản xuất sữa thô Trong chiên-xào Tách lọai glucose Nước ép trái Làm loại dịch Loại oxygen Giặt ủi Sử dụng làm chất tẩy Thuộc da Chống mọc lông Thịt Làm mềm mại Amylase Enzyme Nguồn gốc Nấm Protease Amylase Protease b-glucanase Amylase Pectinase Pectinase Pectinase, hemicellulase Invertase, pectinase Nấm/vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm Nấm/vi khuẩn Nấm Nấm Nấm/vi khuẩn Amylase Amylase Amyloglycosidase Glucoseisomerase Protease Protease Lactase Nấm Vi khuẩn Nấm Vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm Nấm men Protease Glucose oxidase Pectinase Glucose oxidase Protease, lipase Protease Protease Nấm/vi khuẩn Nấm Nấm Nấm Vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm Trong y dược Tráng ảnh Dịch thủy phân protein Chế biến thức uống Công nghiệp dệt Rau Hổ trợ tiêu hóa Chống đơng máu Trong thử nghiệm lâm sàng Thu hồi bạc từ film sử dụng Trong sản xuất dịch thủy phân Tạo ổn định Chống xắp xếp theo kích thước sợi Các chế phẩm dạng soup nghiền nhừ Amylase, protease Steptokinase Numerous Protease Proteases Glucose oxidase, catalase Amylase Pectinase, amylase, cellulase Nấm Vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Vi khuẩn Nấm/vi khuẩn Nấm Vi khuẩn Nấm Bảng Các sản phẩm sơ cấp biến dưỡng vi sinh vật ứng dụng thương mại Chất trao đổi sơ cấp Ethanol Citric acid Glutamic acid Lysine Nucleotides Phenylalanine Polysaccharides Vitamins Ý nghĩa thương mại Thành phần hoạt tính thức uống có cồn, sử dụng làm nhiên liệu thay xăng dầu Có nhiều ứng dụng cơng nghiệp thực phẩm Chất tăng vị Chất hổ trợ thực phẩm Chất tăng vị Chất tiền thân aspartame, chất gây Ứng dụng công nghiệp thực phẩm, tăng cường khả thu hồi dầu béo Chất hổ trợ thực phẩm 2.5 Hỗ trợ trình biến nạp Các tế bào vi sinh vật sử dụng để chuyển hợp chất vào cấu trúc liên quan có giá trị chúng có tác dụng chất xúc tác với tính đặc trưng vị trí lập thể cao Các trình vi sinh vật đặc trưng q trình hóa học cho phép thêm, loại bỏ thay đổi nhóm chức vị trí đặc trưng định phân tử phức tạp mà không cần dùng đến hoá chất Các phản ứng xúc tác enzyme bao gồm phản ứng khử hydrogen, phản ứng oxy hoá, phản ứng hydroxyl hoá, phản ứng khử nước, phản ứng khử carboxyl, amin hoá, khử amin, phản ứng chuyển vị Các q trình vi sinh vật có thêm thuận lợi thực nhiệt độ áp suất phản ứng thấp, khơng đòi hỏi chất xúc tác kim loại nặng Q trình phát triển cơng nghiệp lên men Q trình phát triển cơng nghiệp lên men diễn qua năm giai đoạn mô tả Bảng Q trình phát triển ngành cơng nghiệp lên men trước giai đoạn 1900 mô tả giai đoạn 1, sản phẩm giai đoạn đơn giới hạn dạng alcolhol uống được, dấm ăn Bảng Quá trình phát triển ngành cơng nghiệp lên men Giai đoạn Sản phẩm Phương pháp Kiểm sốt q trình ni cấy Loại bồn Alcohol - Bằng gỗ, đạt đến 1500 barrels - Bằng đồng thau Dấm Bằng thùng phuy, khay hay lớp lọc chảy dòng Kiểm sốt chất lượng Các thiết bị pilot Chọn lọc giống Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ, báo mực, Dạng mẻ trao đổi nhiệt Hầu khơng kiểm sốt Nấm men Khơng sử dụng Carlberg có (1886) Dạng mẻ Hầu khơng kiểm sốt Chọn lọc chủng Khơng lên men dấm có tốt Trước 1900 Bồn kim loại 200m cho sản xuất Nấm men bánh mì, Sử dụng đầu dò pH, Dạng mẻ hệ acetone/butanol glycerol, citric Hầu khơng 1900-1940 đầu dò kiểm sốt thống Sử dụng hệ thống phân phối acid, lactic acid, kiểm soát fed- batch Khuấy trộn sử dụng nhiệt độ acetone/butanol trường hợp bồn lên men có kích thước nhỏ Pennicillin, Streptomicin kháng sinh khác gibberelin, 1940 đến amino acid, nucleotides, chất chuyển hoá, enzyme 1964- 1979- Sinh khối đơn bào, protein, hydrocarbon, chất phục vụ chăn nuôi Sản xuất protein khác dòng (heterologous) vi sinh vật tế bào động vật, Sản xuất kháng thể đơn dòng tế bào động vật Hầu Sử dụng giống khơng có Các bồn lên men có trang bị hệ thống sục khí, vận hành điều kiện vô trùng- nghĩa bồn lên men Sử dụng đầu dò pH, DO trùng Sử dụng thiết bị kiểm sốt mà sau kiểm sốt máy tính - Thơng thường dạng mẻ fed-batch - Phát triển nuôi cấy liên Rất quan trọng tục cho lên men bia vài chất trao đổi sơ cấp Sử dụng Trở nên chương thơng trìnhđột biến dụng chọn lọc Các bồn lên men chịu áp lực, thiết kế để giải vấn đề trao đổi khí, nhiệt độ Sử dụng máy tính kiểm sốt thơng số vận hành Nuôi cấy liên tục với việc hồi Rất quan trọng lưu môi trường nuôi cấy Rất quan Sử dụng kỹ trọng thuật di truyền Dạng mẻ, fedbatch, liên Sử dụng nồi lên men Phát triển điều tục phát triển giai đoạn 3, kiện kiểm soát Phát triển nuôi Rất quan trọng Và phát triển thêm nồi đầu dò cấy liên tục nuôi cấy tế bào động vật giai đoạn 3, dạng chảy tràn để nuôi cấy tế bào động vật Rất quan Sử dụng kỹ trọng thuật tái tổ hợp 10 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN Phân loại phương pháp lên men Tuỳ theo đặc điểm mà việc phân loại lên men có khác Theo tính chất mơi trường: Lỏng; Rắn; Bán rắn Theo đặc tính sử dụng oxygen chủng vi sinh vật: Lên men hiếu khí; Lên men kỵ khí Theo trạng thái: Trạng thái tĩnh (khơng khuấy trộn/sục khí); Trạng thái động (có khuấy trộn/sục khí) Theo mức độ kiểm sốt qui trình: Có kiểm sốt (độ tạp nhiễm, chất, pH,…); Khơng kiểm sốt (tự nhiên) Theo qui trình lên men: Lên men theo mẻ (batch); Lên men theo dạng liên tục (continuous); Lên men theo dạng bán liên tục (fed-batch, dạng mẻ-bổ sung) Nhằm đánh giá diễn tiến cụ thể chu kỳ lên men, phương pháp lên men theo mẽ chọn làm kiểu mẫu để đánh giá, sở mở rộng đánh giá phương pháp lên men lại Phương pháp lên men mẻ Đây hệ thống ni cấy khép kín, giới hạn dinh dưỡng, nghĩa chất dinh dưỡng không bổ sung suốt trình lên men, trải qua bốn phase khác Trong giai đoạn đầu (lag phase, (a)) q trình ni cấy, khơng có tăng trưởng đáng kể xảy ra, chủ yếu giai đoạn thích nghi tế bào mơi trường Trong thực tế sản xuất cần phải rút ngắn thời gian phase nhiều tốt để đưa hệ thống lên men nhanh chóng bước vào giai đoạn tăng trưởng sinh tổng hợp sản phẩm quan tâm Tiếp theo, vi sinh vật thích nghi, tăng trưởng nhanh dần đạt đến tốc độ tối đa - log phase (b) Sự tăng trưởng phase biểu diễn theo phương trình tốn học sau: dx/dt = µx (2.1) Trong x sinh khối vi sinh thời điểm nuôi cấy t giờ, µ tốc độ tăng trưởng đặc trưng (hr-1), tốc độ khác tùy theo giai đoạn chu kỳ tăng trưởng 11 Khơng để sót lại (not remaining) Vệ sinh trùng lọc… để bảo đảm khơng tế bào vi sinh vật tạp nhiễm thiết bị, môi trường trước nuôi cấy Không để xâm nhập vào (not entering) Bảo đảm q trình vận hành khơng có xâm nhiễm từ bên ngồi vào mơi trường hay thiết bị nuôi cấy Không để lây lan (not spreading) Ngăn chặn không cho vi sinh vật tạp nhiễm lây lan môi trường thao tác, ngăn chặn sư lây lan có tạp nhiễm xảy Thực hành phòng chống tạp nhiễm - Thường xuyên vệ sinh thiết bị trước trùng Thông thường người ta dùng NaOH loãng 3~5% HNO3 loãng 0,5~1% để rữa, làm toàn cặn bả (scale) lại từ mẻ ni cấy trước thiết bị lên men - Thường xuyên kiểm tra rò rỉ thiết bị (nồi lên men, van, đường ống, mối hàn …) Các phương pháp kiểm tra nạp khí nén cao áp vào thiết bị dùng nước xà phòng xịt bên ngồi để kiểm tra, phương pháp dùng thị màu nạp khí nén áp suất 0,5-4,0 kgf/cm2 có chứa NH3 với nồng độ thấp vào thiết bị phủ giấy có tẩm phenolphtalein bên thiết bị mối nối, đường hàn… để nhận diện rò rỉ Khi có rò rỉ, NH3 từ bên thiết bị khuếch tán giữ lại giấy có tẩm phenolphtalein làm giấy đổi sang màu hồng Đối với thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt, người ta phát vết nứt cách dùng chất thị màu; gồm chất (bộ kit): Chất tẩy bề mặt; Chất thấm vào vết nứt; Chất hiển thị màu phản ứng với chất thứ Sau phun chất thứ lên bề mặt thiết bị, dùng vải khô lau sạch, sau phun chất thứ Ở vị trí có xuất màu thị, bị nứt rò rỉ - Thường xun kiểm tra độ xác thiết bị đo đạc thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, thời gian, lưu lượng… cách so sánh với dụng cụ đo chuẩn - Phải bảo đảm việc vận hành trùng qui trình điều kiện trùng thích hợp - Trong số trường hợp chủng tạp nhiễm chịu nhiệt, có khả tạo bào tử nên khó xử lý Nhằm loại bỏ triệt để bào tử tồn nồi lên men cần sử dụng phương án “thanh trùng-nuôi cấy-thanh trùng” Nguyên tắc phương pháp sau trùng nồi lên men, chuẩn bị mơi trường tổng hợp có thành phần dinh dưỡng đơn giản bao gồm nguồn dinh dưỡng C, N, P, Mg, amino acid với nồng độ thấp, điều chỉnh pH 7,0-7,5, nhiệt độ 30-35oC tiến hành khuấy trộn, sục khí vòng khoảng 3-4 Đây điều kiện thích hợp để bào tử chủng tạp nhiễm tồn nồi “nở” (germination) thành tế bào sinh dưỡng Sau đó, xả bỏ tồn dịch ni cấy tiến hành trùng thiết bị nhằm diệt bỏ tế 98 bào tạp khuẩn lại nồi lên men Khi cần thiết lặp lại qui trình 2~3 lần Cách phát - đánh giá nguồn gốc tạp nhiễm Việc phát tạp nhiễm thơng qua nhiều phương pháp trình bày nhiên nhiều trường hợp cần phân tích phối hợp đồng thời nhiều phương pháp mà quan trọng kiểm tra tạp nhiễm theo cách sử dụng đĩa pettri chứa môi trường tổng hợp Trong q trình ni cấy, theo thời gian, cần lấy mẫu tiến hành kiểm tra đĩa petrri cách hút khoảng ml dịch nuôi cấy trãi lên mặt đĩa ủ nhiệt độ thích hợp (~37-390C), có khuẩn lạc lạ xuất hiện, tượng tạp nhiễm xảy Ghi nhận số lượng khuẩn lạc lạ thực đánh giá qua thơng số: hình thái, số lượng tế bào, khả tạo bào tử, đặc tính di động… thời gian hệ Trên sở thời gian hệ, số lượng loại tế bào tạp nhiễm thời điểm đánh giá, ta tính thời điểm tạp nhiễm bắt đầu xảy trong trình lên men, từ phân tích khả nguồn gây nhiễm từ đâu Khi phân tích nguồn gốc tạp nhiễm cần tiến hành theo bước sau 1) Có thể vi khuẩn tạp nhiễm tồn thiết bị hoặc/và môi trường mà nguyên nhân hoạt động trùng không triệt để (remaining) + Do không đủ nhiệt độ/ thời gian trùng (thiết bị cảm biến bị hư hỏng, không bảo đảm độ xác theo yêu cầu + Do có tồn lớp vảy cặn bám thành thiết bị (scale), làm nơi “trú ẩn” tốt cho vi sinh vật tạp nhiễm tồn + Do thiết bị/ mơi trường có diện chủng tạp nhiễm chịu nhiệt nên trùng với điều kiện thường lệ khả nguy tế bào chủng lại lớn + Do thiết bị trùng môi trường liên tục (thiết bị gia nhiệt sơ cấp, Hình 4) bị rò rỉ dẫn đến có trộn lẫn mơi trường chưa trùng (đầu vào) môi trường trùng (đầu ra) + Do mật độ tế bào tạp nhiễm thành phần nguyên liệu lớn, khả trùng triệt để giảm 2) Có thể giống có chứa tế bào tạp nhiễm hoạt động thao tác nạp giống gây nên tạp nhiễm + Do nguồn giống nạp vào nồi lên men bị tạp nhiễm trình nhân giống/ chuẩn bị giống + Do hoạt động nạp giống vào nồi lên men không thao tác gây nên tạp nhiễm 3) Có thể vi khuẩn tạp nhiễm thâm nhập vào q trình ni cấy mà ngun nhân thiết bị bị rò rỉ (van, mối hàn …), màng lọc (hệ thống lọc khí) bị hư 99 hỏng thao tác vận hành nhân viên kỹ thuật q trình lên men khơng phù hợp (entering) + Thiết bị bị rò rỉ: van, mối hàn, roong đệm bề mặt vị trí liên kết thiết bị bị bể bị lỏng trình vận hành Đặc biệt thiết bị giải nhiệt bị rò rỉ gây tượng tạp nhiễm nghiêm trọng nguồn nước giải nhiệt chứa nhiều vi khuẩn tạp nhiễm thâm nhậm vào dịch lên + Màng lọc khơng khí cung cấp cho nồi lên men bị hư hỏng dẫn đến việc khơng khí chưa lọc triệt để nạp vào nồi lên men trình ni cấy + Hoạt động vận hành nhân viên kỹ thuật khơng trình tự thao tác chuẩn dẫn đến việc dịch/ khơng khí bên ngồi từ qui trình khơng bảo đảm vơ trùng thâm nhập vào nồi lên men q trình ni cấy Ví dụ: Trong ni cấy mầm (nhân giống- seed cultivation) lên men sản xuất amino acid với thể tích dịch 10KL, tỷ lệ nạp giống 0,002% Theo thời gian người ta ghi nhận nuôi cấy thứ 14 16 số tế bào (khuẩn lạc) tạp nhiễm tương ứng 21 95 loại tạp khuẩn xuất đĩa pettri ủ với ml dịch với môi trường đặc trưng Hãy đánh giá thời điểm bắt đầu xảy tạp nhiễm khả nguồn gốc tạp nhiễm Ta tính tg=120/log2(95/21) =~55 phút (~0,918 giờ) Như thời điểm mà ml dịch ni cấy có tế bào tạp nhiễm (có thể phát được): 14-0,918×log2 (21/1) = ~10 Tại thời điểm bắt đầu ni cấy, nồi lên men có 10× 106/214/0,918 = 258 tế bào Trên sở ta nhận xét nguồn tạp nhiễm: Tạp nhiễm xuất từ bắt đầu nuôi cấy Nguồn gốc tạp nhiễm - Không phải từ nguồn nguồn giống Vì thể tích giống nạp vào 0,002% × 10 KL = 200 ml Do vậy, dịch giống nạp vào có 258/200 = 1,3 tế bào / ml, tức có tế bào tạp nhiễm /1 ml dịch giống mầm Với tỷ lệ chắn phát trình kiểm tra kết thúc giai đoạn chuẩn bi giống - Do tạp nhiễm chủng nên khả hoạt động trùng không hiệu Không phải thiết bị trùng mơi trường sơ cấp bị rò rỉ thiết bị bị rò rỉ có trộn lẫn môi trường thành trùng với môi trường chưa trùng, mà mơi trường chưa trùng khơng có chủng gây tạp nhiễm Khơng phải thành phần nguyên liệu có hàm lượng tạp nhiễm tổng số cao mà có chủng chịu nhiệt diện hệ thống thiết bị thành phần nguyên liệu dù với mật độ thấp Do vậy, cần 100 có tiến hành hoạt động kiểm tra có thiết bị có liên quan đến q trình chuẩn bị mơi trường q trình trùng thiết bị như: + Kiểm tra thiết bị cảm biến nhiệt độ hiển thị có xác hay không + Kiểm tra vệ sinh lớp vảy cặn bám vào thiết bị + Kiểm tra lại bước thao tác vận hành nhân viên kỹ thuật Một số điểm cần lưu ý truy tìm nguồn gốc gây tạp nhiễm Chủng tạp nhiễm thường gặp trình lên men thuộc họ Bacillaceae với đặc điểm di động, tạo bào tử, chịu nhiệt, phát triển nhanh Nguồn gốc từ nguyên liệu thô (raw materials) thiết bị trùng không triệt để Nếu chủng tạp nhiễm thuộc họ Micrococcus nguồn gốc từ hệ thống lọc khí, hệ thống nước giải nhiệt Nếu nồi lên men tồn từ hai chủng tạp nhiễm trở lên với số lượng nhiều thời gian hệ trung bình chủng tạp nhiễm ngắn suy đốn thiết bị bị rò rỉ (hệ thống trùng, hệ thống lọc khí, hệ thống giải nhiệt …) Cần nghiên cứu thêm động học tác động nhiệt trùng vi sinh vật 101 CHƯƠNG BÀI TẬP ÁP DỤNG Bài tập Bài Trong thí nghiệm nuôi cấy nấm men để thu sinh khối theo phương pháp mẻ Theo yêu cầu, lượng sinh khối thu phải đạt tấn/mẻ thời gian nuôi cấy 30 Hiệu suất tổng hợp sinh khối 56%, thể tích dịch lên men 100 KL, tỷ lệ nạp giống 0,1% (t/KL), nồng độ đường glucose lại 0,5 g/dl a Lượng đường cần thiết đưa vào hệ thống để thu nhận đủ lượng sinh khối trên? b Tính µ trung bình q trình c Với nồng độ rượu đo sau trình lên men 3% (v/v), cho biết tốc độ sản xuất rượu đặc trưng nấm men thí nghiệm (d EtOH: 0,789 g/ml) Bài Trong nuôi cấy theo phương pháp fed-batch thu nhận sản phẩm amino acid chủng vi khuẩn, người ta thực nồi lên men với thể tích mơi trường ban đầu 50 KL, nồng độ đường glucose ban đầu mơi trường 2,0 g/dl Thể tích nồi lên men 100 KL, với công suất tới hạn 80%, D trung bình 0,0375 hr-1 Lúc ngừng qui trình, nồng độ sản phẩm 3,6 g/dl, nồng độ sinh khối cb = 1,2 g/dl, hiệu suất tổng hợp tế bào 20% Thời gian nạp liệu cho hệ thống? Tính nồng độ đường dịch nạp vào hệ thống Hãy tính hiệu suất sinh sản phẩm? Biết rằng, hàm lượng C sản phẩm 40% Hãy nhận xét hiệu suất sử dụng carbon hữu ích mẻ lên men nói Bài Kết theo dõi tiến trình lên men thu nhận amino acid chủng vi khuẩn theo phương pháp fed-batch ghi nhận theo bảng sau (Bảng 11.1) Thể tích dịch lên men bắt đầu ni cấy V0=20 KL, nồng độ đường nạp bổ sung cf = 25 g/dl Hãy nhận xét tốc độ tăng trưởng đặc trưng chủng theo giai đoạn Nhận xét hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm tiến trình (thực tế) Hiệu suất tế bào theo giai đoạn ni cấy, Có nhận xét gì? Bảng 11.1 Số liệu theo dõi trình lên men 102 CT cb [Hr] [g/dl] 10 12 14 16 18 20 0.20 0.35 0.50 1.10 1.33 1.39 1.45 1.44 1.43 1.42 1.40 Sf [t] 0.00 0.00 0.00 1.20 1.70 1.90 2.30 2.50 2.60 2.67 2.70 cp sr [g/L] [g/dl] 1.0 6.5 11.0 22.5 30.0 38.5 45.0 50.0 55.0 58.5 60.5 5.00 2.50 0.90 0.40 0.30 0.35 0.20 0.32 0.40 0.30 0.10 Ghi chú: CT: thời gian nuôi cấy; cb: nồng độ sinh khối; Sf: lượng đường nạp bổ sung tích lũy; cp: nồng độ sản phẩm; sr: nồng độ đường lại mơi trường ni cấy Bài Trong nuôi cấy sản xuất bia với thể tích 30 KL, người ta ghi nhận có tạp nhiễm xảy nuôi cấy thứ 22 26 số lượng tế bào tạp nhiễm tương ứng 23 481 ml dịch ni cấy Hãy tính tg (thời gian hệ) chủng tạp nhiễm Ở thời điểm q trình ni cấy, người ta bắt đầu có khả phát tạp nhiễm đĩa pettri (1 ml) Tạp nhiễm xảy từ lúc nào? Khi dừng nuôi cấy (giờ thứ 30), có tế bào tạp nhiễm ml dịch Bài Trong qui trình lên men sản xuất glutamic acid sử dụng glucose làm nguồn carbon Cứ mol glucose sử dụng để chuyển thành glutamic acid có 193,4 Kcal nhiệt lượng phóng thích môi trường nuôi cấy, cần dùng nước giải nhiệt để kiểm soát nhiệt độ hệ thống Biết nhiệt độ nguồn nước giải nhiệt cấp vào 28oC, sau thoát khỏi hệ thống 31oC, thiết diện trao đổi nhiệt 20 m2 Lượng đường tiêu thụ thời điểm cao t/hr Hãy tính lưu lượng nước giải nhiệt tối thiểu cần thiết để kiểm sốt nhiệt độ ni cấy (350C) Tính hiệu suất trao đổi nhiệt thiết bị 103 Bài giải Bài Tóm tắt: Lên men phương pháp mẻ; X = t/B, Yx/s = 56%, Vinn = 100 KL; Tỷ lệ nạp giống Is =0,1 %, thời gian nuôi cấy CT = 30 giờ, nồng độ đường glucose lại sr = 0,5 g/dl Lượng glucose cần Do Yx/s = X/Su, , Su lượng đường sử dụng Su = X/Yx/s = 5/0,56 = 8,93 t Sr = sr×V = 0,5.10-2 (t/KL) × 100KL = 0,5 t S = Su + Sr = 8,93 + 0,5 = 9,43 t Tốc độ tăng trưởng đặc trưng: Với tỷ lệ nạp giống 0,1 % (t/KL) cho nồi lên men tích dịch 100KL lượng sinh khối ging mm Xo= 0,1/100ì100 = 0,1 t = (LnX/X0)/t = (Ln(5/0,1)/30 = 0,130 hr-1 Lượng ethanol tổng hợp được: P = cp×V ×d = 3%×100 KL×0,789 g/ml = 2,367 t Yp/x = P/X = 2,367t/5t = 47,34% Ta có tốc độ sản xuất ethanol đặc trưng ρ = µ×Yp/x ρ = 0,130×0,4734 = 0,062 hr-1 Bài Tóm tắt: Fed-batch, Vo = 50 KL, si = 2,0 g/dl, Vfer = 100 KL, f = 0,8; Độ pha loãng trung bình Daver = 0,0375 hr-1, cp = 3,6 g/dl, x = 1,2 g/dl, Yx/s = 20% Thời gian nạp liệu Vinn = 100×0,8 = 80 KL, Vf = 80 – 50 = 30 KL, Daver = Faver / V F = D×V = 0,0375×80 = KL/Hr, Do vậy, Tf = 30/3 = 10 Nồng độ đường feed Tổng đường feed: Sf = Su-Si = (1,2×80/0,2-2,0×50)/100 = 3,8 t cf = 3,8/30 = 12,67 g/dl Hiệu suất sinh thổng hợp sản phẩm P = 3,6× 80 = 2,88 t 104 Yp/s = P/Su = 2,88/4,8 = 60% Hiệu sử dụng carbon hữu ích Lượng carbon sử dụng C = × 12/180 × 4,8t = 1,92 t Lượng C sản phẩm = 42/100 × 2,88 = 1,21 t Lượng C sinh khối = 12/24,6 × 1,2 ×80/100 = 0,467 t Hiệu sử dụng carbon = (1,21 + 0,467)/1,92 ×100 = 87,4% Nhận xét: Hiệu suất sử dụng carbon hữu ích 87,3%, phần carbon không tham gia cấu tạo vào sản phẩm mục tiêu sinh khối Điều (1) Một phần carbon thất thoát CO2 sinh trình lên men, (2) phần carbon tham gia cấu trúc sản phẩm phụ, (3) phần carbon tham gia cấu trúc sinh khối lượng sinh khối tế bào bị chết, q trình lên men nên khơng nhận diện để tính tốn Cũng bàn phải bàn bạc thêm rằng, lượng carbon đầu vào trường hợp tính lượng glucose thực tế môi trường, nhiên mơi trường ban đầu có thành phần khác có chứa carbon meat extract, yeast extract,…nên lượng C thực chất lớn lượng tính tốn Bài Tóm tắt: Lên men theo phương pháp fed-batch; Vo = 20 KL; cf = 25 g/dl Vinn: Thể tích dịch nồi lên men; Vinn = Vo + Vf Vf: Thể tích dịch đường nạp bổ sung vào q trình ni cấy; Vf = Sf/cf Su: Lượng đường sử dụng; Su = So + Sf - Sr So: Lượng đường môi trường lúc bắt đầu ni cấy, So = sVo; so = sr thời điểm bắt đầu nuôi cấy Sr: Lượng đường lại q trình ni cấy; Sr = sr×Vinn P: Lượng sản phẩm thu được; P = cp× Vinn B: Lượng sinh khối thu được; B = cb×Vinn Tốc độ tăng trưởng đặc trưng µ = (lnBt2 – lnBt1)/(t2 – t1) Hiệu suất sản phẩm tiến trình Yp/s = (Pt-Po)/(Sut-Su0)×100 Hiệu suất sinh khối theo giai đoạn Yb/sHr = (Bt2-Bt1)/(Sut2-Sut1)×100 Bảng 11 Tính tốn đánh giá kết lên men 105 CT cb [Hr] [g/dl] 10 12 14 16 18 20 0.20 0.30 0.50 1.10 1.33 1.39 1.45 1.44 1.43 1.42 1.40 Sf [t] 0.00 0.00 0.00 1.20 1.70 1.90 2.30 2.50 2.60 2.67 2.70 cp Vinn Su P B [g/L] [g/dl] [KL] [t] [t] [t] 0.02 0.13 0.22 0.56 0.80 1.06 1.31 1.50 1.67 1.79 1.86 0.04 0.00 0.06 0.20 0.10 0.26 0.27 0.50 0.36 0.13 0.38 0.04 0.42 0.05 0.43 0.01 0.43 0.00 0.44 0.00 0.43 -0.01 1.0 6.5 11.0 22.5 30.0 38.5 45.0 50.0 55.0 58.5 60.5 sr 5.00 2.50 0.90 0.40 0.30 0.35 0.20 0.32 0.40 0.30 0.10 20.0 20.0 20.0 24.8 26.8 27.6 29.2 30.0 30.4 30.7 30.8 0.0 0.5 0.8 2.1 2.6 2.8 3.2 3.4 3.5 3.6 3.7 µ Yp/s -1 [hr ] [%] ║ 22.00 24.39 25.61 29.93 37.19 39.92 43.48 47.49 49.60 50.24 Yb/sHr [%] ║ 4.00 12.50 13.49 16.12 14.80 9.07 5.30 3.66 0.94 -4.88 106 Nhận xét: Tốc độ tăng trưởng đặc trưng chủng tăng mạnh giai đoạn đầu (lag phase) sau bắt đầu nuôi cấy đạt cực đại nuôi cấy thứ 6, sau giảm mạnh dần đến nuôi cấy thứ 14 Từ nuôi cấy thứ 16 trở đi, chủng không tăng trưởng, tỷ lệ tế bào sinh (nếu có) thấp tỷ lệ tế bào nên tốc độ tăng trưởng đặc trưng có giá trị âm vào giai đoạn cuối q trình ni cấy Như vậy, mục đích lên men để thu sinh khối nên dừng mẻ lên men khoảng thời gian nuôi cấy trước tiếng thứ 16 Hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm tăng dần liên tục theo thời gian nuôi cấy Khi kết thúc nuôi cấy hiệu suất tiếp tục tăng nhiên mức độ tăng chậm Điều cho thấy ni cấy dài để thu thêm sản phẩm Hiệu suất sinh tổng hợp tế bào ban đầu thấp sau tăng mạnh log pha vả đạt cực đại (15%) giai đoạn từ thứ 7-10 Sau 10 nuôi cấy, hiệu suất sinh tổng hợp sinh khối bắt đầu giảm mạnh kết thúc qui trình lên men Bài Tóm tắt: Vo = 30KL, CT22 = 23 tế bào, CT26 = 481 tế bào Ta có: N = N2n No, N số tế bào tạp nhiễm ghi nhận thời điểm nuôi cấy 22 26 giờ, n số hệ tế bào tạp nhiễm sinh khoảng thời gian từ nuôi cấy thứ 22 đến 26 n = log2(N/No) = log2(481/23) = 4,4 107 tg = T/n, với tg thời gian hệ, T thời lượng cần thiết để tế bào tạp nhiễm sinh qua n hệ tg = (26-22)×60/4,4 = 55 phút Khả phát tạp nhiễm đĩa pettri ml dịch ni cấy có chứa tế bào Số hệ tế bào tạp nhiễm tính từ lúc có khả phát đến lúc thời gian nuôi cấy 22 là: n = log2(23/1) = 4,5; Thời lượng (T) từ lúc có tế bào tạp nhiễm đến nuôi cấy thức 22: T = 4,5×55/60 = Như vậy, lúc 22 - = 18 có khả phát tạp nhiễm Tạp nhiễm xảy nuôi cấy thứ mấy? Đánh giá số lượng tế bào tạp nhiễm lúc bắt đầu nuôi cấy: N18 = No × 2n với n số hệ sau 18 giời ni cấy No = N18/2n = × 30 × 106 / 2(18×60/55) = 38 tế bào Như vậy, thời điểm bắt đầu ni cấy xảy tượng tạp nhiễm Khi dừng nuôi cấy thời điểm dừng nuôi cấy, thứ 30: N30 = N22 × 2n, với n = T/tg = (30-22)×(60/55) = 8,73; N30 = 23×28,73 = 9.766 tế bào Trong trường hợp tính từ CT26: N30 = 481 × 2(30-26)×60/55 = 9.905 tế bào Tại có khác biệt này? Nguyên nhân (1) sai số cách lấy mẫu; (2) tg chủng tạp nhiễm giống trình ni cấy Bài Tóm tắt: T1 = 28oC, T2 = 31oC, T3 = 35, A = 20 m2, Sf max = 2,0 t/Hr Ta có phương trình: Glucose + [O] + [N] + … [P] + CO2 + … + 193,4 Kcal MW glucose: 180 g Năng lượng sinh đồng hóa glucose để tổng hợp glutamic acid thời điểm tốc độ đồng hóa tối đa là: 108 Q1 = 2,0/180×193,4 = 2,148 Gcal/hr Mặt khác ta có: Q2 = m×c×delT với Q2 nhiệt lượng cần phải giải phóng khỏi nồi lên men để trì nhiệt độ ni cấy, m khối lượng nước giải nhiệt cần thiết để giải hết lượng nhiệt Q2, c nhiệt dung riêng nước c = cal.kg.độ; DelT = T2-T1 Để toàn lượng nhiệt sinh giải phóng hết Q1 = Q2 Khi m×c×DelT = 2,149, m = 2,149/[1×(31-28)] = 716,3 KL/hr Hiệu suất trao đổi nhiệt Ta có: U= Q A × ∆Tm Trong (Hiệu suất trao đổi nhiệt, Mcal/hr.m2.0C) ∆Tm = (T − T 1) − (T − T 2) ; (T − T 1) Ln (T − T 2) Q = (T − T1) × F (Nhiệt lượng trao đổi, Mcal/hr) Do vậy: U = 2,148/[20×(31-28)/Ln((35-28)/(35-31))] = 0,0187 Mcal/hr.m2.0C 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO Stanbury, Whitaker and Hall, 1995 Principles of fermentation technology, Second edition, Pergamon Mardigan, Martinko, Parker, 2000 Brock Biology of Microorganisms, Ninth edition, Prentice Hall Arnold L Demain, Julian E Davies, Ronald M Atlas, Gerald Cohen, Charles L Hershberger, Wei-Shou Hu, David H Sherman, Richard C Willson, J H David Wu, 1999 Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology, second edition, ASM press, Washington DC Henry C Vogel, Celeste L Todaro, Celeste C Todaro, 1997 Fermentation and Biochemical Engineering Handbook: Principles, Process Design, and Equipment, Noyes Publications, USA Visvanathan, 2004 Physico-Chemical Processes, Environment Engineering & Management, Asian Institute of Technology Lê Xuân Phương, 2001, Vi sinh vật công nghiệp, Nxb Xây Dựng, Hà Nội Tarun K Ghose, Bioprocess computations in biotechnology, Volume 1, Ellis Horwood Trần Linh Thước, 2003, Phương pháp phân tích vi sinh vật nước, thực phẩm mỹ phẩm, Nxb Giáo Dục Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945: 2005, Nước thải công nghiệp – Tiêu chuẩn chất thải, xuất lần 2, Hà nội 2006 10 G.M.A Van Beynum, J.A Roles, Starch Conversion Technology, Marcel Darker Inc., 1985 Các tài liệu cần tham khảo khác: Nguyễn Lân Dũng, Bùi Thị Việt Hà, Môi trường nuôi cấy Dương Văn Hợp, Nguyễn Lân Dũng, giới thiệu số kỹ thuật bảo quản vi sinh vật- Vietsciences Lê Gia Huy, Khuất Hữu Thanh, 2010, Cơ sở công nghệ vi sinh vật ứng dụng Trần Thị Thanh, 2003, Công nghệ vi sinh 110 PHẦN PHỤC LỤC Phụ lục Bảng mối quan hệ áp suất nhiệt độ nước Áp suất Nhiệt độ Nhiệt hố Thể tích riêng Tỷ trọng Thể tích riêng, m /kg kg/cm 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 o C 99.1 119.6 132.9 142.9 151.1 158.1 164.2 169.6 174.5 179.1 187.1 194.1 200.4 206.1 211.4 216.2 220.7 225.0 229.0 232.7 kcal/kg 638.8 646.2 650.6 653.7 656.0 657.0 659.5 660.8 661.9 662.9 664.5 665.7 666.7 667.4 668.0 668.4 668.7 669.0 669.1 669.2 m /kg 1.725 0.902 0.617 0.471 0.382 0.321 0.278 0.245 0.219 0.198 0.166 0.143 0.126 0.112 0.101 0.092 0.085 0.078 0.073 0.068 kg/m 0.580 1.109 1.621 2.123 2.618 3.115 3.597 4.082 4.566 5.051 6.024 6.993 7.937 8.929 9.901 10.870 11.765 12.821 13.699 14.706 o 250 C 2.454 1.223 0.812 0.607 0.484 0.402 0.343 0.299 0.265 0.238 0.196 0.167 0.145 0.128 0.114 0.103 0.093 0.085 0.078 0.072 o 300 C 2.691 1.342 0.893 0.668 0.533 0.443 0.379 0.331 0.293 0.263 0.218 0.186 0.162 0.143 0.128 0.116 0.106 0.097 0.089 0.083 (http://www.instrumentation.co.za/article.aspx?pklarticleid=626) 111 Phụ lục 2: Các sưu tập chủng giống vi sinh vật hàng đầu giới Ở Anh: - National Collection of Type Cultures (NCTC) - National Collections of Industrial and Marine Bacteria Ltd (NCIMB) - Natonal Collection of Yeast Cultures (NCYC) - Collection of International Mycological Institute (IMI) Ở Mỹ: - American Type Culture Collection (ATCC) Ở Đức: - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zelkulturen (DSM) Ở Hà Lan: - Centraalbureau voor Schimmelcultures (CBS) Ở Cộng hoà Séc: - Czechoslovak Collection of Microorganisms (CCM) Ở Pháp - Collection Nationale de Cultures de Microorganisms (CNCM) Ở Nhật - Japan Collection of Microoranisms (JCM) - Culture Collection of the Institute for Fermentation (IFO) 112 ... qui trình lên men: Lên men theo mẻ (batch); Lên men theo dạng liên tục (continuous); Lên men theo dạng bán liên tục (fed-batch, dạng mẻ-bổ sung) Nhằm đánh giá diễn tiến cụ thể chu kỳ lên men, phương... thống lên men đưa vào hệ thống lên men khác Ưu điểm phương pháp thay đổi nguồn nguyên liệu giai đoạn khác trình lên men Phương pháp hồi lưu tế bào vi khuẩn trình lên men: Dịch chiết q trình lên men. .. với V thể tích dịch lên men, x nồng độ tế bào dịch lên men Do thể tích dịch lên men bị giới hạn dung tích nồi lên men nên để đạt X cao cần phải tăng nồng độ tế bào x trình lên men Vấn đề đặt làm