Tiểu luận - Đề tài : Lên men sản xuất

LÊN MEN SẢN XUẤT
I
II
III

• KIỂM SỐT CÁC ĐIỀU KIỆN TRONG LÊN MEN
SẢN XUẤT

• TỐI ƯU HĨA QUI TRÌNH LÊN MEN SẢN XUẤT

• PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC
PHỤC TRONG QUI TRÌNH LÊN MEN SẢN XUẤT


pH

Nhiệt độ
KIỂM
SỐT

Hàm lượng oxy
hịa tan

Tốc độ bổ sung
mơi trường


Nhiệt độ
 Tùy vào đặc điểm sinh lý của chủng VSV
được nuôi cấy  đảm bảo đúng nhiệt độ tối ưu
của chúng

 Trong từng giai đoạn nuôi cấy  nhiệt độ có
thể thay đổi


Nhiệt độ
Nhiệt độ sinh trưởng tối ưu của một số lồi vi
sinh vật
Nhóm
Ưa lạnh(Psychrophiles)

Chịu lạnh(Psychrotroph)
Ưa ấm(Mesophile)
Ưa nhiệt(Thermophile)
Ưa nhiệt cao
(Hyperthermophile)

Nhiệt độ tối ưu
Sinh trưởng tốt nhất ở 150C hay thấp
hơn
Có thể sinh trưởng ở 0-70C nhưng sinh
trưởng tốt nhất ở 20-300C, cịn có thể
sinh trưởng được ở khoảng 350C
Sinh trưởng tốt nhất ở 25-450C
Có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 550C
hoặc cao hơn, nhiệt độ thích hợp nhất
thường là giữa 55 và 650C
Thích hợp phát triển ở nhiệt độ giữa 80
và khoảng 1130C

Nhiệt độ
 Để kiểm sốt nhiệt độ thích hợp cho nuôi cấy  cần giải
nhiệt cho nồi lên men
 3 dạng thiết bị giải nhiệt thường dùng cho nồi lên men:

Dạng ống vịng
xoắn (coil)

Dạng bó ống (tube
set)

Gắn bên trong nồi lên men.

Dạng áo (jacket)

Bao bên ngoài nồi lên men


Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Hệnhiệt
thốngtựlàm lạnh
Bộ cảm biến
Thiếtđộng,
bị traođiều
đổinước
nhiệtgiải
khiển
vannhiệt

đóng, mở.
Bơm cung cấp
nước giải nhiệt


pH
 pH gây biến tính khơng thuận nghịch protein và ảnh
hưởng đến khả năng vận chuyển qua màng  VSV rất
nhạy cảm với sự thay đổi pH môi trường
 Tác nhân điều chỉnh pH: acid hoặc base
 Yêu cầu của tác nhân điều chỉnh pH:
►Rẻ tiền
►Dễ

hấp thụ

►Không

làm thay đổi đáng kể thể tích dịch lên men

►Khơng

làm tăng áp suất thẩm thấu trong MT


pH
Hệ thống điều chỉnh pH trong lên men sản xuất


Hàm lượng oxy hòa tan

■ Vai trò của oxy trong q trình lên men
VSV hiếu khí cần oxy để hơ hấp :
Carbon
&
energy
source

Biomass

Nitrogen
source

Product

Other
requirements

Carbonic

Oxy

Water

Phá vỡ quá trình trao đổi chất của tế bào.


Hàm lượng oxy hòa tan
■ Trong lên men nhu cầu oxy hịa tan phụ thuộc
- Hoạt động hơ hấp của VSV
- Nhiệt độ ni cấy ( độ hịa tan của oxy giảm đi hai

lần khi nhiệt độ tăng từ 30-37 độ C)
- Nồng độ các chất hợp phần (nồng độ sinh khối)
- Độ nhớt của môi trường

Vi sinh vật sử dụng oxy trong mơi trường lỏng.
Oxy hịa tan trong nước (dung mơi) thường rất ít.
Cần bổ sung oxy trong q trình lên men diễn ra.


Hàm lượng oxy hòa tan
Tỉ lệ oxy hòa tan từ phase khí vào phase lỏng có thể được tính tốn
dựa trên phương trình sau:

dCL/dt= KLa(C*-CL)
Trong đó :

định
KLahịa
là thực
sự cần
thiết
hiệu3)quả thơng
CL:xác
nồng
độ oxy
tan trong
dung
mơiđể
lênthiết
men lập

(mol/dm
•Việc
khí của bồn lên men cũng như định lượng được các tác động
3
dCcác
Tốc độ
oxy (mol/dm
/h)cấp oxy.
•của
L/dt:biến
số hịa
điềutan
hành
việc cung
•

KL: hệ số hịa tan (cm/h)

•

a: diện tích bề mặt tiếp xúc chất lỏng (khí) trên thể tích chất lỏng
(cm2/cm3)

•

C*: nồng độ oxy bão hòa ( mol/ dm3)


Hàm lượng oxy hịa tan

Mức độ khuấy trộn
Tốc độ thơng khí
Bọt và chất chống tạo bọt.
Nhu cầu oxy của vi sinh vật


Hàm lượng oxy hịa tan

• Việc đo và kiểm sốt lượng oxy hịa tan được
thực hiện bới đầu dị DO
• Dải hiển thị 0-200%
• Điều khiển bằng kĩ thuật số PID liên kết với chế
độ khuấy
• Đầu dị DO tiêu chuẩn Polargraphic


Tốc độ bổ sung môi trường dinh dưỡng
 Tại sao phải bổ sung mơi trường dinh dưỡng
trong q trình lên men?
 Tăng lượng sinh khối tham gia vào quá trình sinh tổng hợp sản
phẩm, kéo dài thời gian nuôi cấy, tăng nồng độ sản phẩm
 Trong môi trường nuôi cấy ban đầu nồng độ cơ chất giới hạn
chỉ ở mức phù hợp, không quá cao  hạn chế ảnh hưởng của áp
suất thẩm thấu lên VSV
 Tăng hiệu suất sản xuất và giới hạn sự hình thành các sản phẩm
phụ

Tùy theo đặc điểm từng loại lên men sẽ có phương pháp
nạp bổ sung nguyên liệu và kiểm soát khác nhau.

Tốc độ bổ sung môi trường dinh dưỡng
Vấn đề đặt ra:
 Phải duy trì hàm lượng chất dinh dưỡng trong mơi trường lên men
khơng q thừa hoặc q thiếu.
 Ví dụ: Sản xuất acid glutamic công nghiệp:
Tốc độ nạp glucose quá cao => VK đồng hóa glucose với tốc độ cao
và sử dụng nhiều Oxi => Thiếu hụt Oxi trong dịch nuôi cấy => Tạo
các sản phẩm phụ (acid lactic, …)
=> Giảm hiệu suất lên men và ảnh hưởng tới hoạt tính của chủng .

Tùy theo đặc điểm từng loại lên men sẽ có phương pháp nạp
bổ sung nguyên liệu và kiểm soát khác nhau.


Tốc độ bổ sung môi trường dinh dưỡng
Một số yêu cầu cơ bản
■

Chỉ nạp bổ sung đủ theo nhu cầu sử dụng.

 Không nạp thừa => thiếu Oxi cung cấp.
 Không nạp thiếu => Hạn chế tốc độ tăng trưởng và sản xuất của
chủng
 Nồng độ gây ức
chế của một số
thành phần trong
môi trường

Tốc độ bổ sung môi trường dinh dưỡng
 Các phương pháp bổ sung:
Bổ sung liên tục

 Nạp môi trường với tốc độ
thích hợp theo nhu cầu dinh
dưỡng của VSV.

Bổ sung gián đoạn

 Nạp môi trường với số lần
nhất định

 3 kiểu bổ sung: Tốc độ cố
định; Tốc độ tăng dần; Tốc độ
hàm mũ.

 Lượng bổ sung lần sau
thường cao hơn lần trước
và cao hơn nhu cầu sử
dụng của VSV.

 Dựa vào dấu hiệu gián tiếp
(Hàm lượng Oxi hòa tan, …) 
điều chỉnh tốc độ.

 Dựa vào các dấu hiệu gián
tiếp (Hàm lượng Oxi hòa
tan, …)  điều chỉnh tốc độ.

Tốc độ bổ sung môi trường dinh dưỡng

 Ưu
điểm

BỔ SUNG LIÊN TỤC

BỔ SUNG GIÁN ĐOẠN

 Đáp ứng tốt nhu cầu dinh
dưỡng của VSV.

 Đơn giản, dễ thực hiện.

 Duy trì tốt sự cân bằng
hàm lượng cơ chất trong
suốt quá trình lên men.
 Khó thực hiện.

 Nhược
điểm

 Cần hệ thống thiết bị hiện
đại.
 Nhân viên có trình độ tay
nghề cao.

 Ít tốn kém. (Thời gian và
công sức).

 Lượng bổ sung lần sau
thường cao hơn lần
trước => Nồng độ cơ
chất thay đổi đột ngột.
=> Có thể gây sốc cho tế
bào.


Tăng tốc độ
tăng trưởng
đặc trưng

Rút ngắn
pha Lag
TỐI ƯU

Bổ sung cơ
chất


Rút ngắn pha Lag
■ Các yếu tố ảnh hưởng
đến Lag phase:
► Từ

►

bản thân VSV

Tính chất của MT
Đường cong sinh trưởng trong hệ thống kín (Theo
sách của Prescott, Harley và Klein)