- Nuôi cấy bề mặt (surface cultivation): Thường vi sinh vật phát triển trên bề mặt mơi trường Ví dụ, vi sinh vật phát triển trên bề mặt môi trường thạch trong hộp Petri hay phát
CÁC THUẬT NGỮ CHÍNH VÀ KHÁI NIỆM
An toàn sinh học(Biosafety) là việc ngăn ngừa sự mất tồn vẹn sinh học trên quy mơ lớn, tập trung vào cả sinh thái và sức khỏe con người. Các chủng giống sản xuất bằng công nghệ lên men phải được đánh giá mức độ an tồn sinh học theo các nhóm rủi ro (Theo Liên minh Châu Âu phân loại tác nhân lây nhiễm theo 4 nhóm rủi ro (chỉ thị 93/88/EEC, tháng 10/1993)
An toàn thực phẩm(Food safety): Tất cả các điều kiện và biện pháp cần thiết để đảm
bảo tính an tồn và phù hợp của thực phẩm ở tất cả các giai đoạn của chuỗi thực phẩm và an toàn thực phẩm là “đảm bảo rằng thực phẩm sẽ không gây hại cho người tiêu dùng khi nó được chế biến và / hoặc ăn theo mục đích sử dụng.
Cơng nghệ lên men (fermentation technology): Chỉ từ khi cơng nghệ sinh học hình thành thì người ta cũng coi đây là ngành cơng nghệ vi sinh vật, mà điều kiện thuận lợi để cho các vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao nhất chính là điều kiện ni cấy vi sinh vật. Về bản chất của cơng nghệ sinh học vi sinh vật chính là cơng nghệ lên men.
Cơ chất(substrate): Là phân tử bị phân hủy do quá trình lên men.
Chất trao đổi sơ cấp (Primery metabolites), các hợp chất hữu cơ trong quá trình trao đổi chất trực tiếp tham gia vào quá trình sinh trưởng, phát triển hoặc sinh sản bình thường của vi sinh vật.
Chất trao đổi thứ cấp (Secondary metabolites), các hợp chất hữu cơ trong quá trình trao đổi chất khơng trực tiếp tham gia vào q trình sinh trưởng, phát triển hoặc sinh sản bình thường của vi sinh vật và sự thiếu vắng các chất chuyển hóa thứ cấp khơng dẫn đến tử vong ngay lập tức, mà là làm suy giảm khả năng sống sót, khả năng sinh sản hoặc hình thái của sinh vật trong thời gian dài, hoặc có thể khơng có thay đổi đáng kể nào.
Chi phí hoạt động (Operating expense-OPEX): Chi phí mà doanh nghiệp phải chịu thơng qua các hoạt động kinh doanh thông thường, bao gồm tiền thuê nhà, thiết bị, chi phí tồn kho, tiếp thị, lương nhân viên, biến phí cấp bậc và quĩ được phân bổ cho nghiên cứu và phát triển.
Chi phí vốn đầu tư (Capital expenditure-CAPEX) bao gồm tất cả các khoản tiền cần thiết để xây dựng và khởi động sản sản xuất. Việc đầu tư vào tài sản sản xuất cũng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi bản chất của sản phẩm.
Enzyme:Chất xúc tác sinh học cấu tạo từ protein.
Hệ thống HVAClà hệ thống sưởi ấm, thơng gió và điều hồ khơng khí, gọi chung là hệ thống điều hịa khơng khí.
Hiệu quả kinh tế (Economic efficiency): Hiệu quả kinh tế là việc sử dụng các nguồn
lực để tối đa hóa việc sản xuất hàng hóa và dịch vụ. Một hệ thống kinh tế này được cho là hiệu quả hơn một hệ thống kinh tế khác (một cách tương đối), nếu nó có thể cung cấp nhiều hàng hóa và dịch vụ cho xã hội mà không cần sử dụng nhiều hơn nguồn lực.
Hiệu quả kỹ thuật (Technical efficiency): là hiệu quả trong một tập hợp các yếu tố đầu
vào được sử dụng để sản xuất một đầu ra và liên quan đến hiệu quả sản xuất. Hiệu quả sản xuất liên quan đến việc sản xuất tại điểm thấp nhất trên đường cong đồ thị chi phí ngắn hạn trung bình. Vì vậy, hiệu quả sản xuất địi hỏi phải có hiệu quả kỹ thuật.
Hiệu quả sản xuất (Production efficiency): là mức độ kinh tế mà ở đó nền kinh tế
phẩm khác. Sản xuất hiệu quả đạt được khi một sản phẩm được tạo ra với tổng chi phí trung bình thấp nhất
Hồn vốn đầu tư(Return on investment-ROI) là một thước đo hiệu suất được sử dụng để đánh giá hiệu quả hoặc lợi nhuận của một khoản đầu tư hoặc so sánh hiệu quả của một số khoản đầu tư khác nhau. ROI cố gắng đo lường trực tiếp số lợi nhuận trên một khoản đầu tư cụ thể, so với chi phí đầu tư.
Làm sạch tại chỗ(CIP) và Khử trùng tại chỗ (SIP) là các hệ thống được thiết kế để làm sạch và khử trùng tự động mà không cần tháo dỡ và lắp ráp. Thiết bị CIP và SIP di động và cố định để làm vệ sinh và khử trùng.
Lên men(fermentation): Trong sinh học, các phản ứng trao đổi chất cần thiết để tạo ra năng lượng trong tế bào sống (chủ yếu là vi sinh vật); trong cơng nghiệp, bất kỳ q trình cơng nghiệp lớn nào dựa trên sinh vật sống đều được gọi là quá trình lên men.
Lên men bề mặt (surface fermentation): Lên men trên bề mặt trên môi trường lỏng (như sản xuất enzym amylase, axit citric từ nấmAspergillus niger) hay trên mơi trường xốp
(hay cịn goi lên men trạng thái rắn) trong sản xuất enzym, các chất kháng sinh, các chất kích thích sinh trưởng và oxy được cung cấp trực tiếp từ khơng khí.
Lên men cơng nghiệp(Industrial fermentation): Việc sử dụng có chủ đích q trình lên men các vi sinh vật cũng như các tế bào động vật và thực vật, để tạo ra các sản phẩm có ích cho con người. Q trình lên men được thực hiện trong các thiết bị lên men hoặc bình phản ứng sinh học lớn, thường có thể tích vài nghìn lít. Lên men cơng nghiệp là một phần của nhiều ngành công nghiệp, bao gồm vi sinh, thực phẩm, dược phẩm, cơng nghệ sinh học và hóa chất.
Lên men chìm (Submerged fermentation): Các vi sinh vật phát triển trong môi trường
dịch thể, đối với các vi sinh vật kỵ khí thì người ta khơng cấp khí, cịn đối với vi sinh vật hiếu khí người ta thường cấp khí để cung cấp oxy cho vi sinh vật phát triển. Tuỳ theo nhu cầu oxy của từng loại vi sinh vật mà người ta sử dụng các phương pháp khác nhau để tăng lượng oxy hồ tan trong mơi trường: tăng cường lượng khí cấp, sử dụng cánh khuấy với các tốc độ khác nhau, dùng cánh chắn làm tan bọt khí lớn…
Lên men hiếu khí (Aerobic fermentation):là quá trình lên men được thực hiện với sự có mặt của oxy. Q trình lên men có thể là ni cấy bề mặt hoặc ni cấy tĩnh và chìm.
Lên men kỵ khí (Anaerobic fermentation) là q trình lên men được thực hiện trong
điều kiện khơng có oxy, nhưng vi sinh vật kỵ khí có 2 loại: kỵ khí bắt buộc khơng thể chịu được oxy (như vi khuẩnClostridiumsp chỉ hoạt động trong điều kiện thiếu oxy) và vi sinh vật kỵ khí ưa thích: vẫn hoạt động trong điều kiện thiếu oxy và tạo ra lượng sản phẩm mong muốn tối ưu (như vi khuẩn axit lactic có thể chịu được một lượng nhỏ oxy hay nấm men yêu cầu sục khí ban đầu để tạo ra sản lượng tế bào cao trước khi tạo điều kiện lên men kỵ khí).
Lên men liên tục (Continuous fermentation): Môi trường được bổ sung liên tục vào
thiết bị lên men và môi trường đã lên men liên tục được lấy ra với cùng tốc độ. Có 2 loại lên men liên tục: Chemostat là hệ thống duy trì thể tích lên men khơng thay đổi, bằng cách giữ cho lưu lượng dịng mơi trường vào và dịng mơi trường đã lên men ra bằng nhau (và có thể khơng đổi), hàm lượng sinh khối khơ, sản phẩm, cơ chất có thể thay đổi theo thời gian và Turbidiostat là hệ thống ln duy trì hàm lượng sinh khối khơ khơng thay đổi, nghĩa là đểduy
trì X ở một giá trị xác định, ta cần thiết bị đo X và hệ thống điều khiển tự động lưu lượng cũng như sự phối chế các thành phần cho dòng vào.
Lên men sinh tổng hợp (biosynthetic fermentation): Quá trình lên men sử dụng các vi sinh vật hiếu khí, các tế bào động vật và thực vật lên men trong các nồi lên men và nồi phản ứng sinh học có sục khí để sinh tổng hợp các sản phẩm mong muốn.
Lên men truyền thống (traditional fermentaion): Quá trình lên men tạo ra các sản phẩm lên men truyền thống nhờ vi sinh vật lên men (fermentative microorganisms) trong điều kiện kỵ khí, được sản xuất thủ công, mang sắc thái kinh nghiệm và bản sắc riêng của từng dân tộc.
Lên men trạng thái rắn (solid state fermentation, SSF) còn gọi lên men xốp, LMX):
là sự phát triển của vi sinh vật trên vật liệu rắn ẩm khi khơng có hoặc gần khơng có nước tự do.
Đơng khơ (Freeze-drying): Quá trình mà nước được lấy ra khỏi mẫu khi các mẫu đang
ở trạng thái lạnh sâu. Thiết bị đông khô sẽ hút nước và cuối cùng mẫu được làm khơ đến mức nhất định.
Q trình lên men(fermentation process): Q trình ni cấy vi sinh vật để tạo ra sinh khối (tăng sinh) hoặc thúc đẩy vi sinh vật tạo ra sản phẩm trao đổi chất.
Quá trình thu hồi (Downstream processes): Quá trình tách chiết và tinh chế các sản phẩm sinh học sau lên men ở quy mô sản xuất và mục đích sử dụng khác nhau, bao gồm cả việc tái chế các thành phần có thể tận dụng và xử lý chất thải thích hợp.
Sinh khối(Biomass): Khối lượng sinh vật; theo truyền thống, thuật ngữ này đề cập đến sinh khối của thực vật và vi sinh vật.
Sinh khối vi sinh vật(Microbial biomass), khối lượng tế bào vi sinh vật được xác định bằng trọng lượng (ướt hoặc khơ) trong đơn vị diện tích hoặc thể tích của một nhóm vi sinh vật trong môi trường dinh dưỡng và điều kiện nuôi cấy phù hợp.
Thiết bị đo đạc và kiểm soát (Instrumentation and control), các công cụ phụ trợ lắp đặt cùng thiết bị lên men để đo và điều chỉnh các thơng số của q trình lên men vi sinh vật. Các thơng số được quan tâm khi kiểm sốt q trình lên men: Thời gian, nhiệt độ bình, pH, nồng độ oxy hịa tan, áp suất trong nồi lên men, tốc độ khuấy, kiểm soát bọt, lượng chất dinh dưỡng cung cấp bổ sung (fed- bacth), nồng độ cơ chất, nồng độ sản phẩm và mức chất lỏng trong nồi (đối với lên men liên tục).
Thiết bị lên men (fermenter): Thiết bị phản ứng sinh học truyền thống (bình có khuấy hoặc khơng khuấy) nơi diễn ra q trình lên men tế bào. Thiết bị lên men có thể được vận hành như hệ thống nuôi cấy liên tục hoặc theo mẻ.
Thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor), hệ thống khép kín và có kích thước khác nhau từ quy mơ phịng thí nghiệm nhỏ (năm đến mười mililít) đến quy mơ cơng nghiệp lớn (hơn 500.000 lít), để tế bào phát triển với các mục đích thực hành trong điều kiện được kiểm soát.
Thiết bị phản ứng sinh học dạng thùng quay (Rotating drum bioreactors): Thiết bị phản ứng sinh học dạng thùng quay là một hình trụ nằm ngang có đảo trộn xen kẽ, sục khí khơng bắt buộc cưỡng bức và hoạt động ở chế độ liên tục hoặc bán liên tục. Thùng quay được chứa khối cơ chất, tuy nhiên khối ủ lên men không thể q đầy tạo độ thống để chuyển hóa
oxy và carbon dioxide tốt hơn và việc kiểm sốt nhiệt độ khá khó khăn. Cơ chất rắn được trộn khác nhau cho các vi sinh vật khác nhau.
Thiết bị phản ứng sinh học khay nuôi(Tray bioreactor): Khay được đục lỗ hoặc lưới để giữ cơ chất rắn, cho phép thơng khí bình thường vào khối ủ. Loại hệ thống này chỉ chứa một lượng chất rắn giới hạn được lên men, vì do chỉ để được lớp mỏng mơi trường xốp để tránh quá nhiệt xảy ra và duy trì điều kiện hiếu khí. Độ dày của lớp mơi trường, diện tích bề mặt khay và nhiệt độ buồng ni ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật, nhưng cũng có thể cải thiện sự trao đổi nhiệt và truyền khí.
Thiết bị phản ứng sinh học khối ủ(Packed-bed bioreactor): Thùng kín chứa khối cơ chất lên men, phía trên có nắp đậy và đế thùng được đục lỗ qua đó sục khí cưỡng bức vào thùng, có thể kiểm sốt quy trình lên men do sử dụng máy sục khơng khí ẩm cưỡng bức giúp cải thiện độ ẩm của lớp lên men và kiểm soát nhiệt độ.
Thiết bị phản ứng sinh học tầng sôi(Fluidized-bed bioreactor): được xây dựng từ một buồng thẳng đứng với một tấm đế đục lỗ và sục khí cưỡng bức được áp dụng ở khoang dưới cùng với tốc độ đủ để làm loãng các hạt cơ chất rắn và gây ra sự trộn lẫn. Thiết bị phản ứng sinh học có bộ khuấy (bộ ngắt cục), phá vỡ các chất kết tụ có thể hình thành và lắng xuống đáy. Khoang ni cấy mở rộng và do đó cần có đủ khoảng trống để hỗn hợp các hạt rắn và khí sẽ hoạt động giống như một chất lỏng. Thiết bị phản ứng sinh học tầng sôi này pha trộn tốt giữa pha khí, pha rắn và chất lỏng và nước bay hơi có thể làm mát sinh khối.
Thiết kế thiết bị lên men(Design of a fermenter) là sự lựa chọn các trang thiết bị đáp ứng quá trình lên men sản xuất các sản phẩm sinh học. Thiết kế thiết bị lên men phụ thuộc vào phương thức hoạt động của thiết bị lên men, vi sinh vật sản xuất, điều kiện hoạt động tối ưu để hình thành sản phẩm lên men, giá trị và quy mô sản xuất của sản phẩm. Các thơng số được tính tốn khi thiết kế thiết bị lên men là: tốc độ khuấy, cấp khí nén vơ trùng, cấp nhiệt làm nóng hoặc nước làm lạnh, cung cấp bổ sung các chất dinh dưỡng, bơm axit hoặc bazơ để điều chỉnh pH, khả năng phá bọt bằng cơ học và hóa học, đảm bảo độ vơ trùng trong suốt q trình lên men (hệ thống van chặn, gioăng đệm, lấy mẫu …).
Thực hành sản xuất tốt (GMP) là tiêu chuẩn thực hành sản xuất tốt nhằm đảm bảo điều kiện vệ sinh an tồn trong cấp phép sản xuất, bn bán các sản phẩm lên men. GMP cũng kiểm soát tất cả các khía cạnh của q trình sản xuất từ nguyên vật liệu, cơ sở, trang thiết bị sản xuất đến nhân viên làm việc tại cơ sở.