Xem mẫu
Công nghệ lên men
CÔNG NGHỆ LÊN MEN
FERMENTATION TECHNOLOGY
• Công nghệ lên men, hay công nghệ quá trình sinh học
(bioprocess technology), bắt nguồn từ việc sử dụng vi
sinh vật để sản xuất các thực phẩm như phó mát, sữa
chua, các loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương,
các loại thức uống (bia, rượu vang,..)…
• Các quá trình sinh học từng được tiến hành thủ công,
nhưng ngày nay được tiến hành theo quy trình công
nghệ và được áp dụng kiến thức khoa học hiện đại.
Tempeh
19/09/2011 10:58 SA
1
Nguyễn Hữu Trí
19/09/2011 10:58 SA
Lên men là gì?
3
Nguyễn Hữu Trí
Quy trình lên men
• Trong sinh hóa: lên men là quá trình phát sinh năng
lượng trong đó chất hữu cơ vừa là chất cho điện tử vừa
là chất nhật điện tử cuối cùng.
• Trong công nghiệp: lên men mô tả bất cứ quá trình sản
xuất sản phẩm bởi nuôi cấy sinh khối tế bào trong một
thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor)
19/09/2011 10:58 SA
2
Nguyễn Hữu Trí
• Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinh
giống và sản xuất
• Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men và các
thiết bị kèm theo
• Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để
cung cấp chp các bồn len men trong giai đoạn sản
xuất
• Bước 4: Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự phát
triển của giống để giống sản sinh sản phẩm
• Bước 5: Chiết và tinh chế sản phẩm
• Bước 6: Xử lý những chất thải tạo ra trong quy trình
19/09/2011 10:58 SA
4
Nguyễn Hữu Trí
1
Quy trình lên men
Quy trình lên men
• Quá trình lên men công nghiệp gồm 3
công đoạn chính:
5 -10 mL
– Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn
và khử trùng nguyên liệu và thiết bị lên
men
– Lên men trong bioreactor với điều kiện
thích hợp để tạo nhiều sản phẩm mục tiêu
– Sau lên men: thu sản phẩm lên men, tinh
chế, bảo quản sản phẩm.
0,2 -1 L
10 -100 L
100 -100.000
19/09/2011 10:58 SA
5
Nguyễn Hữu Trí
6
19/09/2011 10:58 SA
Nguyễn Hữu Trí
Phân loại lên men
Quy trình lên men
Dựa vào cách cho cơ chất vào môi trường và thu
hoạch sản phẩm mà người ta chia thành các dạng
nuôi cấy:
— lên men theo mẻ
— lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất
— lên men liên tục
19/09/2011 10:58 SA
7
Nguyễn Hữu Trí
19/09/2011 10:58 SA
8
Nguyễn Hữu Trí
2
Lên men theo mẻ
Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất
Vi sinh vật được cấy vào nồi lên men sau khi môi trường đã được chuẩn bị.
Trong điều kiện nuôi cấy vô trùng và đảm bảo các điều kiện thích hợp, vi sinh
vật sẽ phát triển theo một đồ thị điển hình gồm các giai đoạn:
(1): pha lag trong pha này vi sinh vật chưa phân
chia, tế bào thích nghi dần với điều kiện môi trường
(2): pha tăng tốc tạm thời trong giai đoạn này mật
độ vi sinh vât bắt đầu tăng nhanh
(3): pha tăng trưởng hàm mũ, vi sinh vật tăng
trưởng với tốc độ cực đại
(4): tăng trưởng chậm, tốc độ tăng trưởng giảm so
với giai đoạn tăng trưởng cực đại
(5): pha ổn định, sự phát triển chậm lại hoặc dừng
hẳn
• Để nâng cao năng suất mẻ lên men người ta
bổ sung cơ chất vào trong quá trình lên men
• 1/ Bổ sung từ từ các chất dinh dưỡng làm
tăng thể tích dịch nuôi cấy, phương pháp này
được sử dụng trong công nghiệp sản xuất
men bánh mì.
• 2/ Bổ sung môi trường mới vào bioreactor
đồng thời rút ra một thể tích dịch nuôi cấy
(không chứa tế bào) tương ứng, phương
pháp này được sử dụng trong nuôi cấy tế bào
động vật
(6): pha chết, tăng trưởng dừng hẳn, tế bào bị phá
hủy
19/09/2011 10:58 SA
9
Nguyễn Hữu Trí
Môi trường luôn được cho vào đồng thời dịch lên men (môi trường, phụ
phẩm, vi sinh vật) được lấy ra với cùng một tốc độ, nhằm giữ thể tích dịch
lên men luôn ổn định.
Phương pháp này cho phép vi sinh vật phát triển dưới các điều kiện ổn
định, sự tăng trưởng diễn ra với tốc độ ổn định, trong một môi trường ổn
định.
Ứng dụng trong một số trường hợp như sản xuất protein đơn bào, ethanol
và trong một số qui trình xử lý nước thải.
11
10
Nguyễn Hữu Trí
Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)
Lên men liên tục
19/09/2011 10:58 SA
19/09/2011 10:58 SA
Nguyễn Hữu Trí
Một số dạng bioreactor phổ biến
a)Biorector khuấy liên tục
b)Bioreactor dạng tháp
c)Bioreactor tuần hoàn
d)Bioreactor yếm khí
e)Bioreactor chứa bùn hoạt
tính xử lý nước thải
19/09/2011 10:58 SA
12
Nguyễn Hữu Trí
3
Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)
• Bioreactor là thiết bị quan trọng để thực hiện các
quá trình sản xuất sinh học như lên men bia, acid
hữu cơ, acid amin, kháng sinh, enzyme, vaccine,
xử lý chất thải.
• Trong thiết bị lên men, vi sinh vật được phân tán
trong môi trường, khí O2 và các chất dinh dưỡng
được tế bào hấp thu đồng thời các sản phẩm
phụ như nhiệt độ, CO2 , các chất biến dưỡng
không cần thiết phải được loại ra khỏi tế bào.
19/09/2011 10:58 SA
13
Nguyễn Hữu Trí
Cấu tạo cơ bản của nồi lên men
Nồi lên men
Hệ thống thanh trùng
Bộ phận khuấy, cung cấp khí
Hệ thống giám sát – điều
chỉnh nhiệt độ
Hệ thống giám sát – điều
chỉnh pH
Hệ thống nạp mẫu
Hệ thống giám sát – phá bọt
19/09/2011 10:58 SA
Bioreactor
Nguyễn Hữu Trí
Bioreactor
Hình dạng của các
bioreactor thay đổi
nhanh chóng trong vài
thập niên gần đây. Để
nâng cao khả năng
thông khí và khuấy
trộn người ta sử dụng
hai hệ thống cải tiến
sau:
Hệ thống đầu tiên sử dụng các thiết bị
thông khí và khuấy trộn cơ học điển hình
là bồn lên men với hệ thống khuấy trộn ở
trung tâm (centrally stirred tank reactor
CSTR). Các thiết bị này có chứa một
hoặc nhiều cánh khuấy.
Cánh khuấy giúp tăng O2 hòa tan, giúp
các thành phần trong bồn lên men được
phối trộn đều với nhau, tạo điều kiện cho
chất dinh dưỡng và khí O2 thấm vào
trong tế bào, cho phép trao đổi nhiệt tốt
hơn.
—Hệ thống sử dụng
các thiết bị thông khí
và khuấy trộn cơ học
—Hệ thống sử dụng hệ
thống bơm cơ học
hoặc bơm khí động
học
19/09/2011 10:58 SA
14
15
Nguyễn Hữu Trí
19/09/2011 10:58 SA
16
Nguyễn Hữu Trí
4
Bioreactor
Đối với tất cả các quá trình lên men, yêu cầu quan trọng nhất là
phải đảm bảo sao cho mọi thành phần tham gia phải được đặt
trong điều kiện giống nhau. Các thông số lý hóa trong quá trình lên
men phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo cho mỗi tế bào đều
được đặt trong điều kiện như nhau.
Hệ thống thứ hai sử dụng
hệ thống bơm cơ học hoặc
bơm khí động học làm thiết
bị phân phối khí trong
bioreactor. Dung dịch trong
thiết bị này di chuyển theo
dòng tuần hoàn.
19/09/2011 10:58 SA
Để kiểm soát tốt quá trình lên men cần phải hiểu được trạng thái
của quá trình và khả năng đáp ứng của vi sinh vật đối với các điều
kiện khác nhau của môi trường. Các thông số trong quá trình lên
men có thể được kiểm soát một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.
Quá trình kiểm soát trực tiếp được thực hiện thông qua các sensor đặt
trong bồn lên men. Phương pháp này thường được áp dụng với các
thông số như nhiệt độ, pH, hàm lượng O2, CO2 hòa tan.
17
Nguyễn Hữu Trí
Hiệu quả lên men
— Để đạt hiệu quả lên men cao thì cần đáp ứng những
yêu cầu sau
— 1. Thiết bị lên men phải được thiết kế sao cho hạn
chế đến mức thấp nhất khả năng tạp nhiễm.
— 2. Thể tích dịch nuôi cấy trong thiết bị phản ứng phải
được duy trì ổn định tránh thất thoát hoặc bay hơi.
— 3. Mức độ O2 hòa tan phải được điều chỉnh phù hợp
— 4. Các thông số như nhiệt độ, pH cần được kiểm
soát chặt chẽ, các thành phần phản ứng phải được
phối trộn tốt
19/09/2011 10:58 SA
19
Nguyễn Hữu Trí
Kiểm soát gián tiếp được thực hiện bằng cách lấy mẫu trong quá trình
lên men và đem phân tích. Phương pháp này dùng để đo hàm lượng
DNA, RNA, enzyme và sinh khối
19/09/2011 10:58 SA
18
Nguyễn Hữu Trí
Sản xuất trên quy mô lớn (scale up)
Trước hết các quá trình lên men
công nghiệp được thực hiện ở quy
mô phòng thí nghiệm, sau đó nâng
lên mức sản suất thử (pilot) và cuối
cùng là mở rộng sản xuất trên quy
mô công nghiệp.
Các số liệu thu được từ quy mô
phòng thí nhiệm được dùng làm cơ
sở để thiết lập hệ thống pilot và hệ
thống sản xuất công nghiệp.
Khi mở rộng qui mô sản xuất cần
phải chú ý đến chế độ khuấy trộn,
thông khí, kiểm soát các thông số
sản xuất, đảm bảo điều kiện vô trùng
Bioreactor ở quy mô công nghiệp
trong quá trình sản xuất.
19/09/2011 10:58 SA
20
Nguyễn Hữu Trí
5
nguon tai.lieu . vn
CÔNG NGHỆ LÊN MEN
FERMENTATION TECHNOLOGY
• Công nghệ lên men, hay công nghệ quá trình sinh học
(bioprocess technology), bắt nguồn từ việc sử dụng vi
sinh vật để sản xuất các thực phẩm như phó mát, sữa
chua, các loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương,
các loại thức uống (bia, rượu vang,..)…
• Các quá trình sinh học từng được tiến hành thủ công,
nhưng ngày nay được tiến hành theo quy trình công
nghệ và được áp dụng kiến thức khoa học hiện đại.
Tempeh
19/09/2011 10:58 SA
1
Nguyễn Hữu Trí
19/09/2011 10:58 SA
Lên men là gì?
3
Nguyễn Hữu Trí
Quy trình lên men
• Trong sinh hóa: lên men là quá trình phát sinh năng
lượng trong đó chất hữu cơ vừa là chất cho điện tử vừa
là chất nhật điện tử cuối cùng.
• Trong công nghiệp: lên men mô tả bất cứ quá trình sản
xuất sản phẩm bởi nuôi cấy sinh khối tế bào trong một
thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor)
19/09/2011 10:58 SA
2
Nguyễn Hữu Trí
• Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinh
giống và sản xuất
• Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men và các
thiết bị kèm theo
• Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để
cung cấp chp các bồn len men trong giai đoạn sản
xuất
• Bước 4: Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự phát
triển của giống để giống sản sinh sản phẩm
• Bước 5: Chiết và tinh chế sản phẩm
• Bước 6: Xử lý những chất thải tạo ra trong quy trình
19/09/2011 10:58 SA
4
Nguyễn Hữu Trí
1
Quy trình lên men
Quy trình lên men
• Quá trình lên men công nghiệp gồm 3
công đoạn chính:
5 -10 mL
– Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn
và khử trùng nguyên liệu và thiết bị lên
men
– Lên men trong bioreactor với điều kiện
thích hợp để tạo nhiều sản phẩm mục tiêu
– Sau lên men: thu sản phẩm lên men, tinh
chế, bảo quản sản phẩm.
0,2 -1 L
10 -100 L
100 -100.000
19/09/2011 10:58 SA
5
Nguyễn Hữu Trí
6
19/09/2011 10:58 SA
Nguyễn Hữu Trí
Phân loại lên men
Quy trình lên men
Dựa vào cách cho cơ chất vào môi trường và thu
hoạch sản phẩm mà người ta chia thành các dạng
nuôi cấy:
— lên men theo mẻ
— lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất
— lên men liên tục
19/09/2011 10:58 SA
7
Nguyễn Hữu Trí
19/09/2011 10:58 SA
8
Nguyễn Hữu Trí
2
Lên men theo mẻ
Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất
Vi sinh vật được cấy vào nồi lên men sau khi môi trường đã được chuẩn bị.
Trong điều kiện nuôi cấy vô trùng và đảm bảo các điều kiện thích hợp, vi sinh
vật sẽ phát triển theo một đồ thị điển hình gồm các giai đoạn:
(1): pha lag trong pha này vi sinh vật chưa phân
chia, tế bào thích nghi dần với điều kiện môi trường
(2): pha tăng tốc tạm thời trong giai đoạn này mật
độ vi sinh vât bắt đầu tăng nhanh
(3): pha tăng trưởng hàm mũ, vi sinh vật tăng
trưởng với tốc độ cực đại
(4): tăng trưởng chậm, tốc độ tăng trưởng giảm so
với giai đoạn tăng trưởng cực đại
(5): pha ổn định, sự phát triển chậm lại hoặc dừng
hẳn
• Để nâng cao năng suất mẻ lên men người ta
bổ sung cơ chất vào trong quá trình lên men
• 1/ Bổ sung từ từ các chất dinh dưỡng làm
tăng thể tích dịch nuôi cấy, phương pháp này
được sử dụng trong công nghiệp sản xuất
men bánh mì.
• 2/ Bổ sung môi trường mới vào bioreactor
đồng thời rút ra một thể tích dịch nuôi cấy
(không chứa tế bào) tương ứng, phương
pháp này được sử dụng trong nuôi cấy tế bào
động vật
(6): pha chết, tăng trưởng dừng hẳn, tế bào bị phá
hủy
19/09/2011 10:58 SA
9
Nguyễn Hữu Trí
Môi trường luôn được cho vào đồng thời dịch lên men (môi trường, phụ
phẩm, vi sinh vật) được lấy ra với cùng một tốc độ, nhằm giữ thể tích dịch
lên men luôn ổn định.
Phương pháp này cho phép vi sinh vật phát triển dưới các điều kiện ổn
định, sự tăng trưởng diễn ra với tốc độ ổn định, trong một môi trường ổn
định.
Ứng dụng trong một số trường hợp như sản xuất protein đơn bào, ethanol
và trong một số qui trình xử lý nước thải.
11
10
Nguyễn Hữu Trí
Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)
Lên men liên tục
19/09/2011 10:58 SA
19/09/2011 10:58 SA
Nguyễn Hữu Trí
Một số dạng bioreactor phổ biến
a)Biorector khuấy liên tục
b)Bioreactor dạng tháp
c)Bioreactor tuần hoàn
d)Bioreactor yếm khí
e)Bioreactor chứa bùn hoạt
tính xử lý nước thải
19/09/2011 10:58 SA
12
Nguyễn Hữu Trí
3
Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)
• Bioreactor là thiết bị quan trọng để thực hiện các
quá trình sản xuất sinh học như lên men bia, acid
hữu cơ, acid amin, kháng sinh, enzyme, vaccine,
xử lý chất thải.
• Trong thiết bị lên men, vi sinh vật được phân tán
trong môi trường, khí O2 và các chất dinh dưỡng
được tế bào hấp thu đồng thời các sản phẩm
phụ như nhiệt độ, CO2 , các chất biến dưỡng
không cần thiết phải được loại ra khỏi tế bào.
19/09/2011 10:58 SA
13
Nguyễn Hữu Trí
Cấu tạo cơ bản của nồi lên men
Nồi lên men
Hệ thống thanh trùng
Bộ phận khuấy, cung cấp khí
Hệ thống giám sát – điều
chỉnh nhiệt độ
Hệ thống giám sát – điều
chỉnh pH
Hệ thống nạp mẫu
Hệ thống giám sát – phá bọt
19/09/2011 10:58 SA
Bioreactor
Nguyễn Hữu Trí
Bioreactor
Hình dạng của các
bioreactor thay đổi
nhanh chóng trong vài
thập niên gần đây. Để
nâng cao khả năng
thông khí và khuấy
trộn người ta sử dụng
hai hệ thống cải tiến
sau:
Hệ thống đầu tiên sử dụng các thiết bị
thông khí và khuấy trộn cơ học điển hình
là bồn lên men với hệ thống khuấy trộn ở
trung tâm (centrally stirred tank reactor
CSTR). Các thiết bị này có chứa một
hoặc nhiều cánh khuấy.
Cánh khuấy giúp tăng O2 hòa tan, giúp
các thành phần trong bồn lên men được
phối trộn đều với nhau, tạo điều kiện cho
chất dinh dưỡng và khí O2 thấm vào
trong tế bào, cho phép trao đổi nhiệt tốt
hơn.
—Hệ thống sử dụng
các thiết bị thông khí
và khuấy trộn cơ học
—Hệ thống sử dụng hệ
thống bơm cơ học
hoặc bơm khí động
học
19/09/2011 10:58 SA
14
15
Nguyễn Hữu Trí
19/09/2011 10:58 SA
16
Nguyễn Hữu Trí
4
Bioreactor
Đối với tất cả các quá trình lên men, yêu cầu quan trọng nhất là
phải đảm bảo sao cho mọi thành phần tham gia phải được đặt
trong điều kiện giống nhau. Các thông số lý hóa trong quá trình lên
men phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo cho mỗi tế bào đều
được đặt trong điều kiện như nhau.
Hệ thống thứ hai sử dụng
hệ thống bơm cơ học hoặc
bơm khí động học làm thiết
bị phân phối khí trong
bioreactor. Dung dịch trong
thiết bị này di chuyển theo
dòng tuần hoàn.
19/09/2011 10:58 SA
Để kiểm soát tốt quá trình lên men cần phải hiểu được trạng thái
của quá trình và khả năng đáp ứng của vi sinh vật đối với các điều
kiện khác nhau của môi trường. Các thông số trong quá trình lên
men có thể được kiểm soát một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.
Quá trình kiểm soát trực tiếp được thực hiện thông qua các sensor đặt
trong bồn lên men. Phương pháp này thường được áp dụng với các
thông số như nhiệt độ, pH, hàm lượng O2, CO2 hòa tan.
17
Nguyễn Hữu Trí
Hiệu quả lên men
— Để đạt hiệu quả lên men cao thì cần đáp ứng những
yêu cầu sau
— 1. Thiết bị lên men phải được thiết kế sao cho hạn
chế đến mức thấp nhất khả năng tạp nhiễm.
— 2. Thể tích dịch nuôi cấy trong thiết bị phản ứng phải
được duy trì ổn định tránh thất thoát hoặc bay hơi.
— 3. Mức độ O2 hòa tan phải được điều chỉnh phù hợp
— 4. Các thông số như nhiệt độ, pH cần được kiểm
soát chặt chẽ, các thành phần phản ứng phải được
phối trộn tốt
19/09/2011 10:58 SA
19
Nguyễn Hữu Trí
Kiểm soát gián tiếp được thực hiện bằng cách lấy mẫu trong quá trình
lên men và đem phân tích. Phương pháp này dùng để đo hàm lượng
DNA, RNA, enzyme và sinh khối
19/09/2011 10:58 SA
18
Nguyễn Hữu Trí
Sản xuất trên quy mô lớn (scale up)
Trước hết các quá trình lên men
công nghiệp được thực hiện ở quy
mô phòng thí nghiệm, sau đó nâng
lên mức sản suất thử (pilot) và cuối
cùng là mở rộng sản xuất trên quy
mô công nghiệp.
Các số liệu thu được từ quy mô
phòng thí nhiệm được dùng làm cơ
sở để thiết lập hệ thống pilot và hệ
thống sản xuất công nghiệp.
Khi mở rộng qui mô sản xuất cần
phải chú ý đến chế độ khuấy trộn,
thông khí, kiểm soát các thông số
sản xuất, đảm bảo điều kiện vô trùng
Bioreactor ở quy mô công nghiệp
trong quá trình sản xuất.
19/09/2011 10:58 SA
20
Nguyễn Hữu Trí
5