- 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
MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNG TRONG SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP
5.3.3. Chuẩn bị điều kiện và thiết bị lên men
1.4.2.1. Các khâu cần chuẩn bị cho một quá trình lên men
Để thực hiện lên men sản xuất ở mức độ cơng nghiệp, q trình chuẩn bị phức tạp, địi hỏi phải cẩn trọng trong từng khâu:
a. Kiểm tra chất lượng chủng giống sản xuất đảm bảo chủng phát triển tốt và có năng suất cao.
b. Chuẩn bị các nguyên liệu để làm môi trường từ giai đoạn nhân giống đến giai đoạn lên men phù hợp.
c. Kiểm tra hệ thống lên men phù hợp cho từng mức độ sản xuất: Máy lắc, hệ thống bình nhân giống cấp 1, cấp 2, hệ thống bình lên men, các dụng cụ và thiết thu hồi sản phẩm sau lên men.
d. Chuẩn bị các dụng cụ kiểm tra phù hợp như máy đo pH, đo oxy hòa tan, máy đo nhiệt độ, dụng cụ lấy mẫu, dung cụ và môi trường cần thiết để kiểm tra mức độ sinh trưởng phát triển của vi sinh vật,...
e. Chuẩn bị các chất bổ sung cần thiết như dung dịch điều chỉnh pH, các chất bổ sung khác trong quá trình lên men.
1.4.2.2. Chuẩn bị giống cho quá trình lên men
1. Các cấp độ lên men
Tùy thuộc vào cấp độ sản xuất mà người ta chia thành 3 cấp độ sau đây:
a. Cấp độ phịng thí nghiệm: Sau khi phát hiện ra khả năng sinh các hợp chất mong muốn, chủng vi sinh vật được ni trong bình nhỏ trong phịng thí nghiệm để lựa chọn mơi trường và điều kiện ni cấy thích hợp. Thơng thường hệ thống lên men trong phịng thí nghiệm thường có máy lắc để kiểm tra chất lượng chủng giống, có hệ thống bình lên men với dung tích bình nhỏ từ 1-10 lit. Hiện nay, các thiết bị lên men trong phịng thí nghiệm thường có các hệ thống kiểm sốt chặt chẽ các điều kiện lên men như tốc độ khuấy, nhiệt độ, pH,
nồng độ oxy hòa tan, khả năng sinh bọt v.v... Thông thường, chế độ lên men đã định sẵn được lập trình bằng máy tính và kiểm sốt tồn bộ q trình lên men, các thơng số lên men nhận được, được ghi lại trên máy tính để tìm được điều kiện lên men tối ưu.
b. Cấp độ sản xuất thử nghiệm (pilot):Ở cấp độ này, ngoài hệ thồng lên men cấp độ phịng thí nghiệm thì dung tích bình lên men thơng thường từ 50 đến 300 lit. Thông qua quá thử nghiệm ở cấp độ này, đánh giá chất lượng và năng suất chủng giống sản xuất, đánh giá các điều kiện lên men có phù hợp cho sản xuất lớn ở mức độ công nghiệp không?
c. Cấp độ sản xuất ở quy mô công nghiệp:Lên men sản xuất ở mức độ cơng nghiệp, thơng thường dung tích bình lên men từ 1.000 lit đến 30.000 lit, cho nên phải có lượng giống phù hợp cho bình lên men tương ứng. Thơng thường lượng giống đưa vào chiếm1/10 thể tích mơi trường lên men, do đó phải nhân giống cấp 1 và cấp 2. Để đảm bảo cho quá trình lên men lớn, tránh gây gây lãng phí cho sản xuất, thống thường người ta làm 2 bình nhân giống, kiểm tra chất lượng giống và kiểm tra nhiễm tạp trước khi cấy giống vào bình lên men.
2. Quá trình chuẩn bị giống cho lên men
Bước 1. Kiểm tra chất lượng giống
Chủng giống sản xuất phải đảm sạch, vô trùng, đảm bảo chất lượng mới đưa vào sản xuất, do đó phải kiểm tra chất lượng giống trong phịng thí nghiệm trước khi đưa vào sản xuất.
Giống được bảo quản trong tủ lạnh sâu hay giống đang sản xuất, đều phải kiểm tra chất lượng trước khi sử dụng, vì hiện nay chủng giống có năng suất cao thường được chọn lọc bằng phương pháp gây đột biến hay bằng kỹ thuật gen, do đó dễ bị thối hóa (hay gọi là lại giống).
Bước 2. Hoạt hóa giống
Giống thường được bảo quản trong ống nghiệm ở tủ lạnh sâu hay trong tủ lạnh, cho nên trước khi sử dụng phải lấy ống ra từ từ, tránh gây sốc nhiệt, ảnh hưởng đến chất lượng của giống. Sau đó, giống được cấy truyền sang môi trường thạch nghiêng trong ống nghiệm (mỗi loại giống có thành phần mơi trường và điều kiện ni cấy khác nhau đã được lựa chọn). Giống được nuôi trong tủ ấm ở nhiệt độ thích hợp cho đến khi giống mọc tốt lấy ra, dùng que cấy cấy giống vào bình tam giác có mơi trường lên men (thường tỷ lệ mơi trường bằng 1/10 thể tích bình) và ni trên máy lắc ở nhiệt độ phù hợp. Thời gian nuôi phù thuộc vào từng loại vi sinh vật (đối với vi khuẩn là 24-48 giờ, nấm men, nấm sợi 48-72 giờ, xạ khuẩn 96-120 giờ) và sau đó lấy ra kiểm tra chất lượng giống, trước khi đưa vào sản xuất.
Bước 3. Nhân giống
Để đảm bảo chất lượng giống tốt cho quá trình lên men thì giống phải có khả năng sinh trưởng phát triển tốt (cho sinh khối nhiều) và thời gian cấy giống vào bình lên men thì giống sinh trưởng, phát triển đang ở pha tăng tốc (pha log) là tốt nhất.
Thiết bị và quá trình thao tác đều phải đảm bảo vơ trùng. Với bình nhân giống nhỏ (nhân giống cấp 1) thì chuẩn bị mơi trường cho vào bình, sau đó đi khử trùng trong nồi áp suất, cịn bình nhân giống lớn (cấp 2 và cấp 3) thì khử trùng ngay trong nồi lên men. Phải kiểm tra chất lượng giống (đặc biệt là nhiễm tạp) ở các công đoạn trước khi cấy sang bình nhân giống tiếp theo.
3. Đánh giá hiệu suất và chất lượng quá trình lên men ở cấp độ sản xuất thử nghiệm (pillot)
Trên cơ sở đã lựa chọn mơi trường tối ưu và điều kiện thích hợp để lên men sản xuất chế phẩm công nghệ sinh học ở 3 cấp độ lên men: Trong bình tam giác, trên thiết bị lên men nhỏ ở quy mơ phịng thí nghiệm để đánh giá hiệu suất chủng sản xuất đạt yêu cầu mới chuyển sang quy mô sản xuất thứ nghiệm.
Thông thường quy mơ sản xuất thử nghiệm, q trình lên men được thực hiện trong các thiết bị lên men 50 đến 500lit gần với điều kiện lên men ở quy mô sản xuất.
Các chỉ tiêu cần đánh giá:
- Động thái sinh trưởng phát triển và sinh tổng hợp sản phẩm là sự biến đổi: Sinh khối, oxy hịa tan, pH mơi trường lên men, các chất dinh dưỡng (đường khử), lượng sản phẩm hình thành... của chủng sản xuất, qua giám sát và kiểm tra các thông số công nghệ mới khẳng định được: Q trình lên men có tn thủ theo quy luật lên men các loại sản phẩm không (như sự thay đổi pH, khả năng sử dụng cơ chất dinh dưỡng, hàm lượng sinh khối và sản phẩm hình thành).
- Thời gian dừng lên men để chuyển sang giai đoạn thu hồi.
- Kiểm tra trạng thái vô trùng của môi trường cũng như cả hệ thống thiết bị trong quá trình lên men.
- Hoạt tính và chất lượng sản phẩm của q trình lên men có phù hợp với mục đích sản xuất chế phẩm.
Nếu quá trình thử nghiệm đạt yêu cầu một quy trình sản xuất ở quy mơ cơng nghiệp, thì xây dựng quy trình cơng nghệ lên men sản xuất bằng sơ đồ khối và được mơ tả chi tiết cho q trình sản xuất ở cấp độ công nghiệp.
Chủ đề ôn tập chương 5
1. Đặc điểm chung của vấn đề nhiễm tạp trong lên men sản xuất cơng nghiệp.
2. Vì sao việc khử trùng đồng bộ trong sản xuất lên men công nghiệp lại quan trọng? 3. Nguyên nhân nhiễm tạp trong công nghiệp lên men.
4. Những đặc điểm và ảnh hưởng của nhiễm tạp lên quá trình lên men sản xuất. 5. Các giải pháp hạn chế nhiễm tạp trong quá trình lên men sản xuất cơng nghiệp. 6. Vì sao phải kiểm tra đồng bộ hệ thống thiết bị lên men?
7. Vì sao phải mở rộng quy mô sản xuất một sản phẩm lên men cơng nghiệp.
8. Vì sao phải đánh giá hiệu quả của quá trình lên men sản xuất một sản phẩm cơng nghệ sinh học.
9. Hiệu quả kỹ thuật là gì? Vì sao phải đánh giá hiệu quả kỹ thuật một quá trình lên men. 10. Hiệu quả kinh tế là gì? Vì sao phải đánh giá hiệu quả kinh tế một quá trình lên men. 11. Sự khác và giống nhau của hiệu quả ky thuật và hiệu quả kinh tế một quá trình lên men sản xuất.
12. Đánh giá hiệu quả kinh tế của q trình sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học. 13. Sự cần thiết phải thiết kế một quá trình lên men để phát triển một sản phẩm lên men mới.
14. Vì sao lựa chọn chủng sản xuất phải phù hợp với phương pháp lên men.
15. Vì sao lựa chọn chủng sản xuất phải phù hợp với mục tiêu thu hồi sản phẩm sau lên men.
16. Các khâu cần chuẩn bị cho một q trình lên men một sản phẩm cơng nghiệp sinh học mới.
17. Vì sao phải đánh giá hiệu suất và chất lượng quá trình lên men ở cấp độ sản xuất thử nghiệm (pillot) trước khi đưa vào sản xuất ở cấp độ công nghiệp?
Mục tiêu người học cần đạt
1. Đặc điểm chung của vấn đề nhiễm tạp trong lên men sản xuất công nghiệp, nguyên nhân nhiễm tạp trong công nghệ lên men. Những đặc điểm và ảnh hưởng của nhiễm tạp lên quá trình lên men sản xuất.
2. Phải khử trùng đồng bộ môi trường, hệ thống trang thiết bị và các thiết bị phụ trợ trong sản xuất lên men công nghiệp và các giải pháp hạn chế nhiễm tạp trong q trình lên men sản xuất cơng nghiệp và phải kiểm tra đồng bộ hệ thống thiết bị lên men.
3. Để mở rộng quy mô sản xuất một sản phẩm lên men cơng nghiệp phải có nhu cầu và phát triển, đáp ứng được yêu cầu của thị trường. Do đó phải đánh giá được hiệu quả sản xuất thông qua đánh giá hiệu quả kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của quá trình lên men.
4. Đánh giá hiệu quả kinh tế của q trình sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học phải dựa vào quy mô mở rộng sản xuất được đánh giá hiệu quả kỹ thuật, khả năng nâng cao hiệu quả kỹ thuật để phát triển và hồn thiện cơng nghệ để đạt được hiệu quả sản xuất.
5. Các bước đánh giá hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học.
6. Xác định được sự cần thiết phải thiết kế một quá trình lên men để phát triển một sản phẩm lên men mới: Lựa chọn chủng sản xuất phải phù hợp với phương pháp lên men và mục tiêu thu hồi sản phẩm sau lên men; các khâu cần chuẩn bị cho một quá trình lên men một sản phẩm công nghiệp sinh học mới và hiệu suất và chất lượng quá trình lên men ở cấp độ sản xuất thử nghiệm (pillot) trước khi đưa vào sản xuất ở cấp độ công nghiệp.
Tài liệu đọc bổ trợ
1. Lương Đức Phẩm (2012). Giáo trình Cơng nghệ lên men, Nhà xuất bản Giáo dục
Việt Nam
2. Hans-Peter Meyer, Wolfgang Minas, Diego Schmidhalter (2017). Industrial-Scale
Fermentation, in “Industrial Biotechnology: Products and Processes” edited by Christoph
Wittmann & James C. Liao, Wiley-VCH Verlag.
3. Musaalbakri Abdul Manan, Colin Webb (2017). Design aspects of solid state fermentation as applied to microbial bioprocessing, Journal of Applied Biotechnology &
Bioengineering, Volume 4 Issue 1 p 511-532.
4. Rehm H.J et al. (1991). Biotechnology (multi-volumes). Volume 4 : Measuring, Modelling and Control; Weiheim-Newyork-Basel-Cambridge-Tokyo.