TIỂU LUẬN TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ LÊN MEN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TIỂU LUẬN: CƠNG NGHỆ LÊN MEN THỰC PHẨM TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ LÊN MEN Người thực hiện: Nguyễn Thị Hồng Bùi Thị Nga Nguyễn Thị Yến 581128 581157 581203 (K58CNSTHA) (K58CNSTHA) (K58CNSTHA) Hà Nội – 2/2016 MỤCLỤC PHẦN THỨ NHẤT- MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ lên men, bắt nguồn từ việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất bảo quản thực phẩm mát, sữa chua, loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương, loại thức uống (bia, rượu vang,…) Cùng với phát triển khoa học ưu điểm vượt trội mình, cơng nghệ lên men cịn giúp tăng xuất sản xuất sản phẩm nâng cao hiệu kinh tế Nhiều sản phẩm dịc vụ sản xuất nhờ ứng dụng công nghệ lên men kháng sinh, enzyme, hóa chất, xử lý nước thải Các q trình lên men tiến hành thủ cơng lên gặp nhiều khó khăn Ngày để khắc phục khó khăn người ta nghiên cứu tiến hành theo quy trình cơng nghệ áp dụng kiến thức khoa học đại So với nhiều q trình khác q trình lên men tiến hành phương pháp khác nhau, tiến hành điều kiện khác vi sinh vật khác thực nên thiết bị lên men cần thiết kế phù hợp Đó tổ hợp nhiều phận, nhiều cụm máy hoạt động phối hợp nhịp nhàng để trì mơi trường lên men trạng thái tốt Thiết bị lên men thường thiết kế đảm bảo để thực điều kiện vơ trùng, kiểm sốt điều kiện mơi trường để tối ưu hóa q trình lên men Như ta biết, quy trình lên men gồm có ba giai đoạn chuẩn bị trước lên men, lên men, xử lý sau lên men để thu sản phẩm cuối Tương ứng với giai đoạn, có nhóm trang thiết bị tương đối chuyên biệt o Nhóm trang thiết bị trước lên men o Thiết bị lên men o Nhóm trang thiết bị xử lý sau lên men PHẦN THỨ HAI- NỘI DUNG 2.1 THIẾT BỊ TRƯỚC LÊN MEN 2.1.1 Bể hay bồn (Tank) Chứa chất ban đầu (Nguyên liệu cho sản xuất) 2.1.2 Máy nghiền Nghiền trình biến chất rắn thành chất nhỏ tác dụng va đập, nén vỡ, chà xát, chia cắt yếu tố khác Các máy nghiền phân loại chủ yếu theo phương pháp nghiền theo độ lớn hạt thu Việc phân loại theo phương pháp nghiền tiện lợi cần thiết nghiền vật liệu bất kỳ đến mức định đó, trước tiên phải chọn phương pháp nghiền sau chọn dạng máy nghiền Theo phương pháp nghiền gồm loại máy sau: máy nghiền cắt, máy nghiền dập, máy nghiền chà nén, máy nghiền va đập, máy nghiền mài - va đập máy nghiền keo 2.1.3 Thiết bị để xử lý nguyên liệu Như nồi nấu dùng để đường hóa bột 2.1.4 Thiết bị để trộn nguyên liệu pha chế môi trường nuôi cấy • Nồi phản ứng Nồi phản ứng thép hay gang tráng men dùng để tiến hành q trình hố - lý khác Nồi phản ứng - máy trộn thiết bị dạng xilanh đứng tích từ 0,1- 100 hơn, có áo (hình 1) Bên thiết bị có cấu đảo trộn dạng tuabin hở Khi sử dụng thiết bị có áo dạng bán ống áp suất làm việc cho phép đến 1,6 MPa, áo hàn phẳng không nhỏ 0,4 MPa Nước máy hay nước tuần hoàn, nước muối, nước bảo hoà hay chất tải nhiệt hữu có nhiệt độ cao cho vào áo hay vào ruột xoắn Nồi phản ứng - máy trộn tháo rời hay hàn cố định với phận đáy elip nắp Trên thiết bị có khớp nối để nạp chất tải nhiệt, chảy tràn sản phẩm, để nối ống áp, nối khớp đầu ống nguyên liệu, khảo sát chất liệu, khớp nối để nạp thải chất tải nhiệt sản phẩm, van an toàn, nhiệt kế Sau nạp vào thiết bị lượng nước định, tiến hành chất liệu cấu tử dạng hạt băng tải.Tiến hành đun nóng mơi trường đến nhiệt độ cho phương tiện điều chỉnh tự động • Chú thích 1- Ớng nối để nạp chất tải nhiệt; 2- Ống chảy tràng sản phẩm; 3- Ống áp; 4- Đầu nối ống nạp nguyên liệu; 5- Cửa quan sát; 6- Cửa thoát chất tải nhiệt; 7- Cửa vào chất tải nhiệt; 8- Cửa sản phẩm; 9- Cửa thoát chất tải nhiệt Hình Nồi phản ứng dạng đứng Tần số trộn máy khuấy 0,2- 0,33 vòng/s, phụ thuộc vào dạng cấu trộn tính chất cấu tử đem trộn Khi thiết kế máy trộn dạng tuabin, số vòng quay từ 3- 3,3 vòng/s, dạng khung từ 0,33 ÷ vòng/s Dẫn động máy trộn thực nhờ động điện qua hộp giảm tốc Thiết bị có đệm nắp bít mơi trường khơng độc, khơng nổ, làm việc áp suất khí quyển, có đệm mặt mút dạng TФM làm việc áp suất dư 0,6 MPa hay chân không đến 40 kPa môi trường độc hại, dễ cháy dễ nổ 2.1.5 Thiết bị khử trùng Thường dùng nước áp suất sản xuất lớn việc khử trùng mơi trường ni cấy, dụng cụ tiến hành nồi hơi: Hình 2: Thiết bị khử trùng 2.2 HỆ THỐNG LÊN MEN (BIOREACTOR) Bioreactor thiết bị quan trọng để thực trình sản xuất sinh học lên men bia, acid hữu cơ, acid amin, kháng sinh, enzyme, vaccine, xử lý chất thải Trong thiết bị lên men vi sinh vật phân tán mơi trường, khí O chất dinh dưỡng tế bào hấp thụ đồng thời sản phẩm nhiệt độ, CO2, chất biến dưỡng không cần thiết phải loại khỏi tế bào Có hai loại lên men là: lên men môi trường dinh dưỡng lỏng lên men rắn 2.2.1 Thiết bị lên men bề sâu mơi trường dinh dưỡng lỏng Tùy theo tính chất trình lên men mà thiết bị lên men khác biệt nhau, ít, nhiều Dưới trình bày cấu tạo chung thiết bị lên men sử dụng phổ biến Hình 3: Sơ đồ cấu tạo thiết bị lên men (Các ký hiệu hình trình bày giải thích phần tiếp theo) Một số thành phần thiết bị lên men: Phần thiết bị thùng lên men A làm thép không rỉ Thùng kín thường hoạt động áp suất lớn áp suất khí trời để ngăn khơng cho khí trời xâm nhập vào thùng, tránh bị lây nhiễm Bên ngồi thùng có lớp áo nước B để gia nhiệt, làm nguội điều hòa nhiệt độ cho thùng Để đảm bảo cho thành phần thùng đồng đều, thùng có cánh khuấy C kéo động D Trên trục cánh khuấy thường lắp thêm phận phá bọt E Ở phía thùng có cấu xục khí F với nhiều lỗ nhỏ Trong số trường hợp cấu đóng thêm vai trò khuấy trộn thay cho cánh khuấy Các dịng vật chất Thùng lên men có lắp số đường dẫn để đưa vật chất vào thùng hay khỏi thùng Ta kể dịng sau (các số hiệu tương ứng với số Hình 3): • 1: đưa canh trường vào thùng • 2: đưa dưỡng chất & chất vào thùng • 3: đưa dịch lên men khỏi thùng • 4: đưa khí vào thùng • 5: đưa khí khỏi thùng • 6: đưa dung dịch axit hay kiềm vào thùng để điều chỉnh pH cho mơi trường lên men • 7: đưa nước hay nước vào thùng để gia nhiệt, làm lạnh hay điều hòa nhiệt độ cho mơi trường lên men • 8: đưa nước vào thùng để trùng hay tiệt trùng sau dẫn nước ngưng khỏi thùng Thông thường đường ống nối với hệ thống CIP (Clean In Place) hay SIP (Sterilization In Place) • 9: dùng để lấy mẫu để theo dõi hay kiểm tra Mẫu đưa trở lại thùng lên men hay không Đo lường thiết bị lên men: Để cho q trình lên men ln hoạt động điều kiện tốt nhất, việc đo lường điều khiển thông số quan trọng Hình trình bày số cảm biến dụng cụ đo Chức chúng tóm tắt sau : • KT: xác định thành phần khí khỏi thùng, • N: đo vận tốc quay cánh khuấy, • V: đo mức dịch lên men, qua ta xác định thể tích dịch lên men, • X: đo hàm lượng sinh khối khơ, • T: đo nhiệt độ mơi trường lên men, • pH: đo pH dịch lên men, • Oxy: đo hàm lượng oxy hịa tan dịch lên men, • LL: đo lưu lượng dịng khí vào thùng 2.2.1.1 Thiết bị lên men có khuấy học dạng sủi bọt Đây thiết bị lên men dùng phổ biến lên men quy mô công nghiệp Dạng thiết bị lên men sử dụng rộng rãi cho trình tiệt trùng để ni cấy vi sinh vật - sản sinh chất hoạt hoá sinh học Thiết bị lên men tích 63 m3 Dạng thiết bị lên men xilanh đứng chế tạo thép X18H10T hay kim loại kép có nắp đáy hình nón Tỷ lệ chiều cao đường kính 2,6:1 Trên nắp có dẫn động cho cấu chuyển đảo cho khử bọt học; ống nối để nạp môi trường dinh dưỡng, vật liệu cấy, chất khử bọt, nạp thải khơng khí; cửa quan sát; cửa để đưa vòi rửa; van bảo hiểm khớp nối để cắm dụng cụ kiểm tra Khớp xả 16 đáy thiết bị dùng để tháo canh trường Bên có trục xuyên suốt Các cấu chuyển đảo gắn chặt trục Cơ cấu chuyển đảo gồm có tuabin có đường kính 600 ÷1000 mm với cánh rộng 150 ÷ 200 mm định vị tầng, tuabin hở thứ ba gắn chặt sủi bọt 13 để phân tán bọt khơng khí Bộ sủi bọt có dạng hình thoi làm ống đột lỗ Ở phần trêncủa sủi bọt có khoảng 2000 ÷ 3000 lỗ theo kiểu bàn cờ Động - truyền động làm quay trục cấu đảo trộn 8, 12, 14 Sử dụng giảm tốc dẫn động có dịng điện khơng đổi để điều chỉnh vơ cấp số vịng quay giới hạn 110 ÷ 200 vịng/ phút Ưu điểm: Do thiết bị loại có tốc độ truyền oxy cao phù hợp cho tăng suất sản xuất sinh khối giá trị đầu tư vận hành thấp • Chú thích Động Hộp giảm tốc Khớp nối Ổ bi Vịng bít kín Trục Thành thiết bị Máy khuấy trộn tuabin Bộ trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn 10 Khớp nối 11 Ống nạp khơng khí 12 Máy trộng kiểu cánh quạt 13 Bộ sủi bọt 14 Máy khuấy dạng vít Hình 4: Thiết bị lên men có 15 Ổ đỡ đảo trộn học dạng sủi bọt 16 Khớp để tháo 17 Áo 2.2.1.2 Thiết bị lên men dạng sủi18 bọtKhớp nạp liệu 19.Khớp nạp khơng khí Thiết bị lên men dạng sủi bọt khuấy trộn nhờ sục khí mà khơng có khuấy trộn học Q trình lên men sục khí khuấy trộn nhờ sục khí từ lên Ưu điểm: Thiết bị lên men dạng sủi bọt tiêu tốn lượng khơng có đảo trộn học Nhược điểm: Thiết bị lên men dạng sủi bọt không phù hợp lên men với môi trường có độ nhớt cao chứa nhiều chất rắn 2.2.1.3 Thiết bị lên men khuấy trộn khí động học thơng gió mơi trường Thiết bị loại phổ biến dạng xilanh, có kết cấu bên ngồi tương tự thiết bị lên men có khuấy trộn học bên khơng có cấu khấy trộn học mà thay khí động học Thiết bị áp dụng cho trường hợp giống sinh vật nuôi cấy trình lên men khơng cần khuấy trộn mạnh cần lượng Quá trình đảo trộn thực dựa vào nguyên tắc khí động học Khí sục vào vừa đóng vai trị đảo trộn vừa đóng vai trị cung cấp oxy Lượng khí sục vào vừa đáp ứng nhu cầu oxy cho trình lên men đảm bảo khuấy trộn môi trường dinh dưỡng Trong trình khí sục từ đáy thiết bị lên men tạo thành bọt lên làm cho chất lỏng lên Hệ thống lên men loại dùng để sản xuất sinh khối protein từ methanol nhờ Methylophilus methylotrophus 10 Chú thích 1- Khớp nối để tháo 2- Thiết bị thổi khí Hình 5: Thiết bị lên men dạng xilanh khấy trộn khí động học thơng gió mơi trường 3- Ớng xoắn 4- Cửa 5- Khớp nối để nạp khơng khí 6- Khớp thải khơng khí 7- Khớp nạp liệu 8- Cầu thang 9- Ống khuếch tán 10- Áo 11- Thành thiết bị 12- Ống áp 2.2.1.4 Thiết bị lên men có giá thể hạt mơi trường lỏng Hệ thống thiết bị thích hợp cho tế bào enzyme cố định giá thể rắn, giá thể rắn thường làm từ thủy tinh gốm Trong trình lên men, mơi trường mơi trường tuần hồn bơm vào liên tục từ đáy thiết bị lên men với lưu lượng đủ để đảm bảo giá thể rắn hồn tồn mơi trường lỏng Ưu điểm: Thiết bị lên men có khả truyền nhiệt truyền khối lớn, khả trộn ba pha cao Thiết bị ứng dụng để sản xuất bia sản xuất dấm 11 2.2.1.5 Thiết bị lên men có giá thể hạt dạng nhỏ giọt Thiết bị lên có giá thể rắn tế bào enzyme cố định Mơi trường phun xuống từ phần đỉnh thiết bị lên men chảy nhỏ giọt qua hạt giá thể rắn, khí sục từ đáy thiết bị lên men Thiết bị phù hợp cho lên men hiếu khí Tóm lại: Các thiết bị lên men chìm dễ hóa tự động hóa chúng địi hỏi trang thiết bị kĩ thuật cao, dễ bị nhiễm trùng toàn Vì vậy, thiết bị lên men chìm cần phải chế tạo đặc biệt cẩn thận, chịu áp lực cao, địi hỏi kín làm việc với điều kiện vô trùng tuyệt đối 2.2.2 Thiết bị lên men rắn Lên men rắn tiến hành điều kiện có khơng có nước tự Q trình lên men tiến hành đơn giản cách ủ đống chất bao gói sản phẩm lên men 2.2.2.1 Thiết bị lên men rắn quy mơ phịng thí nghiệm Thiết bị lên men khơng có khuấy trộn sục khí gồm có đĩa petri, bình, bình tam giác miệng rộng, lọ Roux lọ roller Thiết bị loại thường dùng để lựa chọn vi sinh vật chất phù hợp cho trình lên men Thiết bị lên men có khuấy trộn mơi trường liên tục gồm thiết bị lên men dạng trống quay, thiết bị lên men dạng trống có lỗ thống thiết bị lên men có cánh khuấy đảo trộn Thiết bị có ưu điểm khả kiểm soát nhiệt độ 12 2.2.2.2 Thiết bị lên men rắn quy mô công nghiệp Thiết bị lên men rắn gồm hai nhóm chính: có sục khí khơng có sục khí Thiết bị lên men khơng có sục khí thường có khả truyền nhiệt truyền khối kém trình lên men Nhược điểm giảm bớt dùng thiết bị lên men có sục khí T Hình 6: Các dạng thiết bị lên men rắn a Thiết bị lên men rắn khơng có sục khí Thiết bị lên men loại thường thiết bị lên men dạng khay hay gọi thiết bị lên men Koji Thiết bị làm gỗ, kim loại nhựa thường có lỗ khay để tăng cương khuếch tán khí Mỗi khay chứa chất chúng xếp thành chồng đặt bng điều khiển nhiệt độ độ ẩm 13 Nhược điểm: Thiết bị tiến hành điều kiện không vô trùng tốn nhân công Hệ thống thiết kế để có dịng khí đối lưu từ lên b Thiết bị lên men có sục khí, khơng đảo trộn Thiết bị khơng có phận khuấy trộn học , nhiên mơi trường lắc tay chuyển vào thiết bị lắc theo định kỳ thời gian Nhược điểm: Không tạo nên đồng nhiệt độ nhiệt sinh trình trao đổi chất làm nhiệt bên chất thường cao Ngoài nhiệt giải phóng nước bay chủ yếu q trình sục khí nên chất bị khơ hiệu trình lên men giảm xuống Để khắc phục tượng khơ chất nước thường thêm vào định kỳ để trì hàm ẩm mức thích hợp c Thiết bị lên men rắn có sục khí đảo trộn liên tục Thiết bị lên men thuộc nhóm thường thiết bị lên men dạng trống có quay Là q trình lên men hiếu khí: Sản xuất axit xitric, penicillin).Thiết bị lên men lên men đến 10kg mẻ Ưu điểm: Thiết bị khuấy trộn liên tục tối đa tiếp xúc với dịng khí ln hồi phía Thiết bị lên men dạng trống quay có khả truyền nhiệt nhờ làm mát đối lưu bay Tóm lại: Ni cấy vi sinh vật mơi trường rắn có nhiều ưu việt so với nuôi cấy môi trường lỏng Như tốc độ tổng hợp enzyme cao hơn, cho phép tiết kiệm đáng kể nguồn lượng sấy Tuy nhiên nuôi cấy vi sinh vật môi trường dinh dưỡng rắn chưa áp dụng rộng rãi công nghiệp chưa có thiết bị tiệt trùng khí hóa đáng tin cậy 2.3 THIẾT BỊ SAU LÊN MEN 14 Quá trình sau lên men liên quan đến tách chiết tinh chế sản phẩm thành dạng thích hợp cho mục đích sử dụng.Các loại sản phẩm amino acid, vitamin, acid hữu cơ, dung môi, enzyme, vaccine, protein trị liệu, kháng thể đơn dòng… Bởi thiết bị sau lên men chia làm hai nhóm chính: Thiết bị dùng để tách chiết dịch lên men thiết bị lên men thành pha lỏng pha rắn; Thiết bị dùng để tinh sản phẩm 2.3.1 Thiết bị dùng để tách chiết dịch lên men Quá trình xử lý sau lên men phụ thuộc nhiều vào tính chất vật lý hóa học sản phẩm Tách chiết thành phần pha lỏng dịch lên men gồm hai giai đoạn: Phân tách cô đặc 2.3.1.1 Giai đoạn phân tách Giai đoạn bao gồm thiết bị như: - Thiết bị tách tế bào: Các bồn lắng, loại máy li tâm, lọc ép hoắc lọc chân không quay Đây thiết bị dùng cho công nghệ thực phẩm - Thiết bi phá vỡ tế bào: Dùng thu nhận sản phẩm nội bào máy siêu âm ( Sonicator), máy sử dụng áp suất cao (French press), máy lắc phá vỡ tế bào bột thủy tinh 2.3.1.2 Giai đoạn đặc Cơ đặc q trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan dung dịch cách tách phần dung môi dạng hay kết tinh chất tan Để tiến hành cô đặc người ta sử dụng phương pháp trích lý, làm kết tủa sử dụng thiết bị cô đặc làm bốc hơi, lọc màng, trao đổi ion hấp thụ 2.3.2 Thiết bị dùng để tinh chế sản phẩm 15 Thiết bị sử dụng để tinh chế sản phẩm bao gồm thiết bị sắc ký hấp thụ, sắc ký lực, sắc ký trao đổi ion, thiết bị kết tinh dùng cho số sản phẩm bột ngọt… Ngoài cịn có thiết bị dùng cho phản ứng tạo sản phẩm, thiết bị sấy dùng để chế biến bảo quản sản phẩm… PHẦN THỨ BA- KẾT LUẬN 16 3.1 KẾT LUẬN Lên men trình tương đối phức tạp, cần khống chế chặt chẽ để trình lên men đạt hiệu cao Vì thiết bị lên men cần đáp ứng yêu cầu sau: Thiết bị lên men phải thiết kế cho hạn chế đến mức thấp khả tạp nhiễm Có suất phù hợp, tạo phân tán, hòa trộn đồng thành phần thùng lên men, đảm bảo môi trường lên men tối ưu, đảm bảo không bị lây nhiễm từ mơi trường bên ngồi Dễ làm vệ sinh, dễ chăm sóc bảo dưỡng, bền, linh hoạt, xác… Thao tác, vận hành thuận tiện, an toàn, đầu tư chi phí vận hành thấp Trong thực tế, việc thỏa mãn tất yêu cầu Cho nên ta thường phải chọn giải pháp dung hòa yêu cầu Cần hiểu biết động học tăng trưởng tạo sản phẩm đối tượng (vi sinh vât, tế bào thực vật, động vật) để thiết kế môi trường lên men phù hợp, hiệu suất tạo sản phẩm cao Tùy theo điều kiện cụ thể mà ta có điểm ưu tiên định hay yêu cầu tiên Từ đó, chọn lựa thiết bị lên men phù hợp 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngơ Xn Mạnh (2013) Giáo trình cơng nghệ sinh học thực phẩm Nhà xuất Đại Học Nơng Nghiệp Ngũn Hữu Trí (9/2011) Cơng nghệ lên men Ngày truy cập 16/2/2016 http://www2.hcmuaf.edu.vn/data/nhtri/Chuong%202%20Cong%20nghe %20len%20men%201.pdf Lê Văn Hoàng Các phần máy thiết bị chẩn bị nguyên liệu Ngay truy cập 16/2/2016 Đường dẫn http://voer.edu.vn/c/may-va-thiet-bichuan-bi-nguyen-lieu/51712eb9/e53e0bddo Nguyễn Quốc Hải (9/2014) Luận văn đề tài sấy tầng sôi Ngày truy cập 16/2/2016 http://luanvan.co/luan-van/de-tai-say-tang-soi-57371/ 18 19 ... Có hai loại lên men là: lên men môi trường dinh dưỡng lỏng lên men rắn 2.2.1 Thiết bị lên men bề sâu mơi trường dinh dưỡng lỏng Tùy theo tính chất trình lên men mà thiết bị lên men khác biệt... dùng thiết bị lên men có sục khí T Hình 6: Các dạng thiết bị lên men rắn a Thiết bị lên men rắn sục khí Thiết bị lên men loại thường thiết bị lên men dạng khay hay gọi thiết bị lên men Koji Thiết... dịch lên men, qua ta xác định thể tích dịch lên men, • X: đo hàm lượng sinh khối khơ, • T: đo nhiệt độ mơi trường lên men, • pH: đo pH dịch lên men, • Oxy: đo hàm lượng oxy hịa tan dịch lên men,