Thông số kỹ thuật:
- Điều kiện vô trùng tuyệt đối
- Nhiệt độ tiệt trùng môi trường: 121oC
- Thời gian tiệc trùng: 15 phút
- Độ pH: 6,3 – 6,5
- Áp suất : 1kg/cm3
- Nuôi cấy ở nhiệt độ: 32 – 35 oC
- Độ ẩm không khí: 90 – 98%
- Thời gian nuôi cấy: 24h
- Số lượng tế bào đạt 106 tế bào/cm3
3.2.7. Lên men
Mục đích:
Thông qua hoạt động sống của vi sinh vật trong những điều kiện thích hợp để chuyển hóa đường và đạm và tăng sinh khối. Nồng độ dịch lên men là:15–20 %.
Phương pháp tiến hành:
Vi khuẩn lactic sau khi đảm bảo về số lương (khoảng 106 tế bào/ml) trong quá trình nhân giống sản xuất thì người ta chuyển giống vào thùng lên men với tỉ lệ 10%. Thùng lên men đươc trang bị cánh khuấy và áo nhiệt để cấp nhiệt độ.
Trong sản xuất sinh khối vi khuẩn lactic người ta thường lên men lactic ở nhiệt độ 370C. Ở nhiệt độ 30 - 350C vi khuẩn Lactobaccillus lên men kém đồng thời các tạp khuẩn sẽ phát triển. Ngươc lại, ở nhiệt độ 40 - 450C hoạt tính vi khuẩn này sẽ giảm sút. Do đó, lên men với vi khuẩn trên người ta thường duy trì ở nhiệt độ ở 370C trong suốt quá trình lên men.
- pH duy trì 6,3 ÷ 6,5 trong suốt quá trình lên men và được kiểm tra 1 giờ/ lần. Thời gian lên men 72 giờ.
- Quá trình lên men lactic sẽ tiến hành thuận lơi khi môi trường có phản ứng acid yếu.
Vi khuẩn lactic sẽ không chịu đươc khi nồng độ acid trong dịch lên men quá lớn. Do đó, nếu lương acid lactic thừa không đươc trung hòa thì sự lên men sẽ bị dừng lại
Trong quá trình lên men người ta sử dụng vôi mịn để trung hòa lương acid tạo thành nhằm tránh hiện tương acid hóa dung dịch lên men và tạo ra canxi lactate. Hằng ngày người ta cho vôi mịn vào 3 ÷ 4 lần trong ngày. Cách trung hòa này vẫn giữ đươc phản ứng acid của môi trường lên men làm cho các vi sinh vật ngoại rơi vào không phát triển đươc. Số lương CaCO3 cho vào với lượng tỷ lệ khoảng 5% mỗi ngày so với tổng lương CaCO3 cần tiêu tốn cho cả quá trình lên men và tạo tủa canxi lactate, tùy thuộc vào lượng acid lactic tạo thành và số lượng CaCO3 cho vào dung dịch lên men đủ để trung hòa acid lactic.
Những biến đổi trong quá trình lên men:
Sinh học: Pha thích nghi:
- Vi khuẩn chưa có sự thích nghi nhưng tăng rõ rệt về thể tích và khối lượng tế bào do quá trình tổng hợp chất diễn ra mạnh mẽ.
- Hình thành các enzyme cần thiết cho quá trình tổng hợp cơ chất và các enzyme nằm trong quá trình chuyển hóa cơ chất.
Pha tăng trưởng:
- Sinh khối và khối lượng tế bào tăng rất nhanh.
- Xảy ra hàng loạt các quá trình biến đổi quan trọng để tạo sinh khối: tổng hợp enzyme, chuyển hóa các hợp chất carbonhydrate, các hợp chất nito.
Pha ổn định:
- Quần thể vi khuẩn ở trạng thái cân bằng động học, số tế bào mới sinh ra bằng số tế bào chết đi sinh khối không tăng.
- Nồng độ cơ chất giảm tốc độ sinh trưởng giảm.
Vật lý:
- Sự trao đổi diễn ra liên tục nên có sự tăng nhiệt độ của canh trường nuôi cấy.
- pH thay đổi do xuất hiện các sản phẩm trao đổi chất.
Hóa lý:
- Các vi khuẩn lactic đồng hình phân giải glucose theo con đường EMP do chúng chứa các enzyme cần thiết (kể cả enzyme aldolaza)
- Các vi khuẩn lactic dị hình do thiếu các enzyme aldolaza và trioxophotphatizomeraza nên giai đoạn đầu của phân giải glucose xảy ra theo con đường PP. Mục đích của quá trình là tổng hợp vật chất tế bào và năng lượng cho vi khuẩn lactic sinh trưởng.
Các yếu tố cần được kiểm soát trong quá trình lên men:
- pH: pH tối ưu cho sự phát triển của vi khuẩn lactic trong khoảng 6,3 – 6,5 và bị ức chế mạnh tại pH < 4.5
- Oxy: Vi khuẩn lactic là vi khuẩn hiếu khí, hàm lượng Oxy lớn là chất độc đối với chúng
- Độ ẩm: Nước là môi trường cho các phản ứng diễn ra trong tế bào do đó độ ẩm là yếu tố quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn lactic.
- Áp suất thẩm thấu: Màng tế bào chất của vi khuẩn là màng bán thấm. Khi nồng độ muối trong môi trường nuôi cấy cao (<2%) sẽ ức chế sự phát triển của vi khuẩn lactic.
Thông số kỹ thuật:
- Nhiệt độ quá trình lên men: 370C.
- pH trong quá trình lên men duy trì ở 6,3 – 6,5.
- Oxy: Cung cấp oxi bằng cách bơm 0,1–0,4 thể tích hỗn hợp khí cho một đơn vị thể tích dịch trong 1 phút ( v.v-1min-1) bằng máy nén thổi khí vào dịch nuôi cấy.
- Thời gian lên men là : 72 giờ
- Tỷ lệ vi khuẩn bổ sung 10% (v/v)
- Mật số vi khuẩn bổ sung 108 CFU/mL
- Mật độ vi khuẩn sau lên men 1010 CFU/ml
- Nồng độ đường trong dung dịch: 10 – 15 Bx
- Tốc độ khuấy trộn của cách khuấy: 120 vòng/phút. Thiết bị:
- Thiết bị lên men được trang bị cánh khuấy cơ học, áo nhiệt cấp nhiệt và bộ phận thổi khí.
3.2.8. Ly tâm:
Mục đích:
Tách thu sinh khối
Sinh khối vi sinh vật nên được thu nhận vào đầu pha ổn định. Dịch canh trường sau khi nhân giống được lọc và đưa vào thiết bị ly tâm để ly tâm loại bỏ kết tủa, cặn lắng thu dịch canh trường có chứa sinh khối vi khuẩn lactobacillus.
Phương pháp thực hiện:
Hỗn hơp dịch canh trường lactic và cặn tủa sau công đoạn lên men đươc cho vào thiết bị ly tâm. Tại đây, thiết bị ly tâm sẽ tách chất rắn ra khỏi chất lỏng nhờ sự chênh lệch khối lượng riêng để thu được sinh khối vi khuẩn lactic và loại bỏ dịch canh trường và nước có trong hỗn hơp dịch.
- Hiệu suất thu hồi sinh khối: 75 – 80% Thiết bị :
Thiết bị ly tâm dạng đĩa
3.2.9. Rửa sinh khối
Mục đích:
Rửa canh trường còn bám trên sinh khối vi khuẩn Phương pháp thực hiện:
Sinh khối vi khuẫn sau khi ly tâm vẫn còn lẫn dịch canh trường bám trên vi sinh vật, vì vậy ta tiến hành rửa sinh khối bằng cách đổ sinh khối vào tank có cánh khuấy và cấp 50% nước vào sinh khối. Quá trình rửa sinh khối diễn ra trong 30 phút.
Thông số kỹ thuật:
- Cấp nước rửa là nước RO
- Thời gian rửa trong 30 phút
- Áp suất 1apm
- Nhiệt độ phòng 25 oC
- Tốc độ của cánh khuấy là 90 vòng trên phút Thiết bị:
Thiết bị rửa sinh khối
3.2.10. Đông khô
Mục đích:
Thu chế phẩm dạng hạt, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bảo quản. Phương pháp thực hiện:
Sấy đông khô: Sấy đông khô là quá trình tách ẩm từ các sản phẩm bằng phương pháp lạnh đông và tiếp theo là chuyển đá làm lạnh đông được tạo thành trong sản phẩm thành hơi, qua pha loãng ngắn ngủi khi đun nóng sản phẩm trong chân không. Khi sấy đông khô, ẩm chuyển dời trong sản phẩm ở dạng hơi không kéo theo nó những chất trích ly và những vi sinh vật.
Thông số kỹ thuật:
- Áp suất dư 133,3Pa - 13,3 Pa
- Nhiệt độ của vật liệu bắt đầu sấy bằng -20oC – -30oC
- Độ ẩm tối thiểu của sản phẩm 5%.
- Nhiệt độ của vật liệu tăng đến 30oC, 40oC.
- Nhiệt độ phòng 25 oC Thiết bị:
3.2.11. Đóng gói
Sau quá trình nhân giống, ta nên sử dụng ngay sinh khối vi sinh vật để cấy giống cho các quá trình lên men công nghiệp. Những nhà sản xuất có thể bảo quản giống đã nhân trong một thời gian ngắn ở nhiệt độ 4 – 6oC, trong điều kiện vô trùng. Tùy thuộc chủng vi sinh vật sử dụng và hoạt tính sinh lý của chúng mà thời gian bảo quản theo phương pháp này có thể kéo dài từ vài giờ đến vài ngày. Nếu thời gian bảo quản kéo dài, giống sẽ giảm dần hoạt tính và số tế bào chết sẽ gia tăng.
Nếu muốn kéo dài thời gian bảo quản giống sản xuất đến hàng tháng hoặc lâu hơn, ta nên tiến hành xử lý ngay canh trường thu được sau quá trình nhân giống. Phương pháp thông dụng cho các canh trường lỏng là ly tâm lạnh để tách sinh khối, kế tiếp sử dụng phương pháp sấy thăng hoa để tách ẩm rồi đem nghiền và rây để thu chế phẩm vi sinh vậtdạng hạt. Giống vi sinh vật đông khô nếu được bảo quản ở 40C có thể bảo tồn được hoạt tính ban đầu trong thời gian 1 năm.
Qua sấy lạnh, sau đó mới đóng gói, bảo quản ta được sản phẩm dạng hạt. Mục đích: Bảo quản sản phẩm Phương pháp thực hiện: Sử dụng hệ thống đóng gói Hình 3.3: Hệ thống đóng gói Thông số kỹ thuật:
3.2.12. Sản phẩm
Chế phẩm dạng hạt:
Các công nghệ mới áp dụng trong sấy đông khô làm cho canh trường này có thể bổ sung trực tiếp vào các sản phẩm công nghiệp khác như phương pháp trên. Sau khi làm lạnh, canh trường cô đặc được đặt dưới một áp suất chân không cao để tách nước bằng sự sấy đông khô. Luôn luôn có khoảng 60 – 70% tế bào sống sót. Tế bào sau khi sấy được đóng gói dưới điều kiện vô trùng, tốt nhất là không có mặt oxi. Sự có mặt của oxi sẽ nhanh chóng làm hỏng sản phẩm
Chỉ tiêu chất lượng:
- Độ ẩm : 5 %
- Kích thước hạt : tùy thuộc nhà sản xuất, nhưng nhỏ thì tốt, khoảng 1 – 2 mm
- Màu sắc hạt: vàng nhạt
- Không có Oxy
CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG VẬT CHẤT4.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy trong một năm 4.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy trong một năm
4.1.1 Biểu đồ sản xuất của nhà máy
Nhà máy ngày làm việc suốt 12 tháng, một tuần 7 ngày ( không nghỉ ngày chủ nhật) và chia 2 ca/ngày (mỗi ca 8 giờ). Vào mùa mưa ( tháng 11), nhà máy sẽ ngưng sản xuất 10 ngày để tu sửa và vệ sinh thiết bị. Mỗi công nhân sẽ được nghỉ phép 10 ngày/năm.
Nhà máy làm việc liên tục, các ngày nghỉ lễ bố trí làm thay ca và nghỉ bù sau đó. Các ngày lễ được nghỉ trong năm:
- Tết dương lịch : 1 ngày - Tết âm lịch : 5 ngày - Giỗ tổ Hùng Vương : 1 ngày - Chiến thắng 30/4 : 1 ngày - Quốc tế lao động : 1 ngày - Quốc khánh 2/9 : 1 ngày
Ta có tổng kết thời gian sản xuất của nhà máy trong một năm như sau:
Bảng 4. 1: Kế hoạch sản xuất của nhà máy năm 2022
Tháng 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 Cả năm
Số ngày 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31 365
Số ngày nghỉ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 10
Ngày làm việc 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 20 31 355 Ca làm việc 62 56 62 60 62 60 62 62 60 62 40 62 710
Thời gian sản xuất của nhà máy trong vòng 1 năm: - Số ngày làm việc trong một năm: 365 – 10 = 355 (ngày) - Số ca làm việc trong một năm: 710 (ca)
4.1.2 Năng suất nhà máy:
Thông số nguyên liệu đầu vào:
Chỉ tiêu Giá trị (%) Nồng độ chất khô(oBx) 80 – 85 pH 5,5 – 6,5 Tỉ trọng (kg/L) 1,4149 Nước 15 – 20 Đường tổng 50 – 60 Đường khử 20 – 25 Đường saccharose 30 – 35
Bảng 4. 2: Thông số rỉ đường nguyên liệu
Thông số sản phẩm đầu ra:
Nhà máy sản xuất sinh khối vi khuẩn lactic với năng suất 900 tấn ( trọng lượng khô) sản phẩm/năm.
Tổng số ca làm việc trong 1 năm là 710 ca nên năng suất nhà máy sản xuất trong 1 ca là 1.268 tấn / ca 1268 kg/ca
Độ ẩm của sinh khối vi khuẩn thành phẩm là 75%
Khối lượng sinh khối vi khuẩn lactic khan (có mật độ Lactobacillus acidophilus 1.0×108 CFU/g) là 25%
Chủng vi sinh vật sản xuất: Lactobacillus acidophilus
Sử dụng phương pháp lên men chìm 4.2. Hao hụt qua các công đoạn
Bao gồm hai loại hao hụt là hao hụt vận chuyển và hao hụt ẩm.
- Hao hụt vận chuyển là hao hụt bị mất đi trong quá trình vận chuyển từ thiết bị này sang thiết bị khác do bám dính hoặc rơi vãi.
- Hao hụt ẩm là hao hụt bị mất đi do sự bay hơi nước trong quá trình sấy, cô đặc hoặc làm nguội.
4.2.1 Hao hụt vận chuyển
Giả sử hao hụt vận chuyển qua các công đoạn như bảng sau:
STT Công đoạn hiệuKí Tỉ lệ haohụt (%) Hiệu suất(%)
4 Pha chế dịch lên men G4 1 100
5 Tiệt trùng làm nguội G5 1 100
6 Hoạt hóa giống G6 0,5 100
7 Nhân giống cấp 1 G7 0.5 100
8 Nhân giống cấp 2 G8 0.5 100
9 Nhân giống sản xuất G9 0.5 100
10 Lên men G10 0.5 100
11 Thu dịch lên men G11 1 100
12 Ly tâm lần 1 G12 2 90
13 Rửa sinh khối G13 1 100
14 Ly tâm lần 2 G14 1.5 90
15 Sấy đông khô G15 0.5 100
16 Đóng gói G16 0.5 100
Bảng 4. 3: Bảng hao hục qua từng công đoạn4.2.2. Hao hụt ẩm 4.2.2. Hao hụt ẩm
Trong dây chuyền sản xuất, công đoạn cô đặc chân không ngoài hao hụt vận chuyển là 2% còn có hao hụt ẩm do một lương nước mất đi trong quá trình cô đặc. Với nồng độ của sinh khối lactic trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị lần lươt là 55% và 85%.
4.3. Các công thức sử dụng
Ta có công thức tính hao hụt: Gtr = Gs x (kg/ca) (CT3.1) [5]. Trong đó:
x là hao hụt trong quá trình vận chuyển qua công đoạn A (%). Gtr là khối lượng của dung dịch trƣớc khi vào công đoạn A( kg) Gs là khối lượng dung dịch sau khi đi qua công đoạn A (kg)
Công thức tính hao hụt ẩm:
Ta có lượng chất khô suốt quá trình không đổi, khi đó: Gck = Gt x = Gs x (Kg) (CT 3.2) [5] Trong đó:
Gt là khối lượng trước khi vào thiết bị (kg) Gs là khối lượng sau khi ra khỏi thiết bị (kg) Wt là hàm lượng ẩm trước khi vào thiết bị (%) Ws là hàm lượng ẩm sau khi ra khỏi thiết bị (%).
4.4. Cân bằng vật chất
Quy ước:
G: Khối lượng nguyên liệu tại các công đoạn V: Thể tích dung dịch
Wx: Độ ẩm dung dịch % W: Là lượng ẩm
4.4.1. Trước chiết chai
G16
P
Năng suất làm việc: P = 316,901 (kg/ca) Tỷ lệ hao hụt là 0,5%
Lượng chất khô thủy phân trước công đoạn đóng gói là: G16 = P x x
G16 = 316,901 x x = 318,494 (kg/ca)
Sấy đông khô
G15 = 318,494 x x = 336,941 (kg/ca)
Ly tâm lần 2
G14 = 482,311 x x = 544,062 (kg/ca)
Rửa sinh khối
G13 = 544,062 x x = 549,558(kg/ca)
Ly tâm lần 1
G12 = 549,558 x x = 623,082(kg/ca)
Thu dịch lên men
G11 = 623,082 x x = 629,375(kg/ca)
4.4.2. Trước lên men
G9 Giống
G10
Ta có khối lượng của 1 tế bào là : 10-12 (g)
Số lượng tế bào trong dịch lên men là: 6,294 x 1017 (tế bào) Nồng độ vi khuẩn trog dịch lên men: 1010 (tế bào/ml)
Giả sử khối lượng riêng của dịch lên men là d =1,032 (kg/L) Thể tích dịch lên men là:
V’10 = = 62937,529 (L/ca) Khối lượng môi trường lên men là:
Gmtlm = d.V’10 = 1,032 x 62937,529 = 64951,530 (kg/ca) Tỉ lệ cấp giống là 10% G10 – Dịch lên men Ta có: Gmtlm = G10 + Ggiống sản xuẩt Đóng gói Lên men
Gmtlm = G10 + 0.1G10
( G giống sản xuất = 10% G dịch lên men )
Suy ra: G10 = Gmtlm / 110% = 64951,530 / 110% = 59046,845 (kg/ca) Giống cấp vào môi trường lên men là:
Ggiống sản xuất = 10% x G10 = 10% x 59046,845 = 5904,685 (kg/ca) Khối lượng dịch cấp vào quá trình lên men:
G’10 = 59046,845 x = 64626,772 (kg/ca) Thể tích dịch lên men:
V10 = (l/ca)