Kỹ thuật và phương pháp chung

1CHƯƠNG 3 Kỹ thuật và phương pháp chung I. Những ưu điểm của vi sinh vật trong công nghệ sinh học II. Sơ đồ tổng quát và các công đoạn chính của quá trình lên men công nghiệp III. Kỹ thuật và phương pháp cơ bản 3.1. Giống cho sản xuất 3.2. Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men 3.3. Hệ thống thiết bị 3.4. Thiết kế công nghệ 3.4. Khử trùng 3.5. Thu nhận sản phẩm lên men Saccharomyces cerevisiae Lactic acid bacteria Lactobacillus acidophilus Brevibacterium linens Wine, vinegar, beer, yogurt Bacillus subtilis Penicillium Trichoderma Spirulina platensis Aspergillus oryzae Streptomyces Antibiotics, enzymes, vitamins 2QUY TRÌNH LÊN MEN 3.2. Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men • Nước • Nguồn carbon • Nguồn nitơ • Các nguyên tố khác và vitamin Chất dinh dưỡng đối với VSV Yếu tố quyết định đến nhu cầu dinh dưỡng Nước ¾Nước là thành phần chính của tế bào và thể hiện nhiều vai trò khác nhau ¾Chất lượng nước rất quan trọng trong sản xuất các sản phẩm từ vi sinh. • Độ cứng • Khả năng oxi hóa • Vi sinh vật (VSV gây bệnh) VD: SX rượu Bầu Đá, rượu vang 3.2. Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men 3Nước Lên men trong nước ¾Ưu điểm • Độ đồng nhất cao • Dễ dàng theo dõi pH, to ¾Nhược điểm • Khó khăn trong tách chiết 3.2. Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men Nguồn carbon ¾Carbon là nguồn dinh dưỡng quan trọng • Thành phần cấu trúc tế bào (50% vật chất khô). • Cung cấp năng lượng ¾Nguồn cung cấp • Các nguyên liệu đường: mật rỉ, các loại nước trái cây, đường đơn, đường kép • Các nguyên liệu chứa tinh bột 3.2. Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men Nguồn nitơ ¾ Là thành phần của nhiều chất có trong tế bào ¾Nguồn cung cấp • Vô cơ muối ammonium, VD: ammonium phosphate • Hữu cơ Amino axit, sản phẩm thủy phân từ protein 3.2. Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men 4Nguồn nitơ ¾Nguồn nitơ tổng hợp: SA (sulffat ammonuim), DAP (Diammonium phosphate), urê. ¾Nguồn nitrogen tự nhiên: - Bột đậu tương được dùng như là một nguồn nitơ kĩ thuật tương đối phổ biến trong nhiều môi trường dinh dưỡng. - Nước chiết bắp, cao bắp, cao nấm men. - Ngoài ra. Có thể sử dụng bột đậu nành hay bột đậu khác giàu đạm 3.2. Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men Các nguyên tố khác và vitamin ¾Ngoài nguồn C và N, môi trường dinh dưỡng cần đủ các nguyên tố đa lượng và vi lượng khác như:P, S, K, Na, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Co,… ¾Ngoài các vitamin có sẵn trong cơ chất ban đầu, trong một số qui trình cần bổ sung vitamin như biotin. 3.2. Nguồn dinh dưỡng và môi trường lên men Môi trường lên men ¾Môi trường nghèo dinh dưỡng ¾Môi trường có hàm lượng dinh dưỡng trung bình ¾Môi trường giàu dinh dưỡng 5Môi trường lên men Các thành phần chính của môi trường lên men • Nguồn Cacbon • Nguồn nitơ • Nguồn khoáng đa lượng: K,P, Ca, Mg, Fe • Nguồn khoáng vi lượng • Các vitamin • Chất kích thích sinh trưởng: 2,4D, α-naptylacetic acid,… Ảnh hưởng của môi trường lên men đến chất lượng sản phẩm? 3.3. Hệ thống thiết bị • Trước lên men • Lên men • Sau lên men II. Sơ đồ tổng quát và các công đoạn chính của quá trình lên men công nghiệp Sơ đồ khái quát quá trình lên men 63.3. Hệ thống thiết bị Trước lên men -Bể hay bồn chứa cơ chất ban đầu để trữ nguyên liệu cho sản xuất -Thiết bị nghiền nguyên liệu thô -Thiết bị trộn nguyên liệu và pha chế môi trường nuôi -Thiết bị khử trùng 3.3. Hệ thống thiết bị Lên men Fermentor là gì? Nơi xảy ra quá trình biến đổi hóa học, sinh học Sinh khối Môi trường nuôi cấy Vi sinh vật Phân tử sinh học Sp bậc hai Alcohol Acetic Acid, etc 7Fermenter Types 9Shaking Tank 9Bubble Column 9Airlift 9Packed Bed 9Fluidized Bed Fermentor: Shaking tank 9Working volume = (60-70) % of tank volume 9 Height – Diameter ratio H/D =1 H/D > 1 9 Heat transfer **Vách ngăn Phun không khí Phá bọt Nước vào Nước ra Không khí ra Không khí vào Fermentor: Shaking tank các dạng vật đẩy Chân vịt (Propeller Mỏ neo (Anchor) Rushton Turbine Palette Rake anchor Coiled helix ** 8Fermenter: Bubble column Vận chuyển không khí (Airlift) Packed bed 9Fluidized bed 3.3. Hệ thống thiết bị Sau lên men -Thiết bị tách tế bào -Thiết bị phá vỡ tế bào: Dùng thu nhận các sản phẩm nội bào -Thiết bị cô đặc: Làm bốc hơi, lọc màng, trao đổi ion, hấp thu -Thiết bị dùng cho phản ứng tạo sản phẩm -Thiết bị kết tinh: bột ngọt, citric acid… - Sắc kí: tinh chế sản phẩm -Thiết bị sấy -Các thiết bị để chế biến và bảo quản sản phẩm như rửa, sấy… 3.4. Thiết kế công nghệ Thiết kế công nghệ Thiết kế nhà máy Thiết kế máy móc 10 Nguyên tắc • Dựa vào đặc điểm sinh lý của giống VSV • Dựa vào đặc tính sinh hóa • Dựa vào đặc điểm sản phẩm 3.4. Thiết kế công nghệ 3.4. Thiết kế công nghệ Lên men Công nghệ (+) o2 Công nghệ (-) o2 Lên men hiếu khí Lên men khị khí Lên men hiếu khí – Lên men kị khí Giống nhau • 2 qt đều sinh năng lượng, NL này dùng cung cấp cho các hoạt động sống, các PUSH trong & ngoài TB và một phần NL được thải ra môi trường ngoài dưới dạng nhiệt năng • Sản phẩm trung gian ban đầu đều là a. pyruvic • Các phản ứng trong 2 qt đều do enzym thực hiện. 11 Lên men hiếu khí • Lên men hiếu khí là quá trình oxi hóa rất chậm, sản phẩm cuối cùng là CO2, H2O và E • Năng lượng tự do cao hơn Lên men kị khí • Lên men kỵ khí hoàn toàn không có oxy, LMKK là qt oxh không hoàn toàn, SP cuối là các chất trung gian và E. • Năng lượng tự do thấp hơn Khác nhau Lên men hiếu khí ¾Là quá trình chuyển hóa vật chất khi có mặt o2 ¾Oxi ở dạng • Hòa tan (VSV thường sử dụng – trực tiếp) • Liên kết (thủy phân cơ chất – gián tiếp) • Tự do (VSV không sử dụng – không thể) 3.4. Thiết kế công nghệ Lên men hiếu khí Vai trò của cánh khuấy ¾Làm xáo trộn môi trường ¾Phá lớp sản phẩm trao đổi chất xung quanh tế bào ¾Làm tăng nhanh tốc độ hòa tan của oxi ¾Làm tăng tốc độ sinh sản của vsv ¾Đẩy nhanh các chất khí (H2S, NH3…) ra khỏi môi trường lên men 3.4. Thiết kế công nghệ 12 Lên men hiếu khí Tác động của thổi khí ¾Cung cấp oxi ¾Xáo trộn môi trường (đẩy mt lên trên) ¾Tăng nhanh nhanh quá trình sinh sản của vsv • Tác động trực tiếp: cơ học • Tác động gián tiếp: thẩm thấu vào trong tế bào-> tham gia pứ oxh, quá trình tổng hợp tế bào 3.4. Thiết kế công nghệ Lên men hiếu khí Lượng oxi hòa tan phụ thuộc ¾ Chiều cao của thiết bị lên men: h = 2Φ ¾ Kích thước của bọt khí 3.4. Thiết kế công nghệ Lên men hiếu khí Các phương pháp nuôi ¾ Phương pháp nuôi cấy bề mặt • Nuôi cấy trên môi trường lỏng • Nuôi cấy trên môi trường đặc ¾ Phương pháp nuôi cấy chìm: mt lỏng • Chu kỳ • Bán chu kỳ • Liên tục 3.4. Thiết kế công nghệ 13 Lên men kị khí ¾ Là lên men không có oxi ¾ Phần lớn sản phẩm lên men kị khí là sản phẩm bậc hai ¾ Thông thường, trên bề mặt có nhiều ván • Ván: xác chết vsv, chất hữu cơ có tỉ trọng nhỏ hơn dung dịch -> ảnh hưởng quá trình lên men, thoát khí độc • Cần thiết kế thiết bị phá ván 3.4. Thiết kế công nghệ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men? ¾ Giống ¾Thành phần dinh dưỡng ¾ pH ¾ Nhiệt độ ¾ Độ ẩm ¾ Hàm lượng oxy hòa tan ¾ Tốc độ khuấy trộn ¾… 3.4. Khử trùng ¾ Loại bỏ các nguồn vấy nhiễm (không khí, nước, nguyên liệu…) ¾Các phương pháp khử trùng • Nhiệt ướt • Nhiệt khô • Lọc: bông đá, bông thủy tinh, màng lọc • Hóa chất (NaoH, H2O2…) • Tia UV • Phóng xạ Phương pháp thường được sử dụng trong quá trình CNSH 14 ¾Thu nhận sinh khối VSV • Phương pháp lọc • Phương pháp ly tâm • Phương pháp lắng ¾Thu nhận các sản phẩm trao đổi chất bậc hai • Thu nhận sp bậc 2 trong môi trường nuôi cấy ƒ PP kết tủa ƒ PP tinh chế sản phẩm • Thu nhận sp bậc 2 trong tế bào vi sinh vật ƒ PP hóa học ƒ Pp vật lý ƒ Pp sinh học 3.5. Thu nhận sản phẩm Câu hỏi ôn tập 1. Quá trình lên men là gì? Trình bày sơ đồ tổng quát của quy trình lên men? Giải thích sơ đồ? 2. Những điều kiện cần thiết cho một quá trình lên men trong sản xuất công nghiệp? 3. Tại sao nói nước có vai trò rất quan trọng trong công nghệ lên men? Trình bày yêu cầu chất lượng nước dùng làm dịch lên men? 4. Tại sao cần phải khử trùng trong công nghệ lên men? Trình bày các phương pháp khử trùng thường dùng trong công nghệ lên men? 5. Thiết bị lên men có cánh khuấy có sử dụng trong lên men kị khí được không? Giải thích? 6. Trình bày tác dụng thổi khí của thiết bị lên men? 7. Trình bày các phương pháp thu nhận sinh khối vi sinh vật? 8. Trình bày các phương pháp thu nhận sản phẩm trao đổi chất bậc hai?