các thiết bị lên men nuôi cấy chìm vi sinh vật trong các môi trường dinh dưỡng lỏng

CÁC THIẾT BỊ LÊN MEN NUÔI CẤY CHÌM VI SINH VẬT
TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG DINH DƯỠNG LỎNG
Phần 1: CÁC THIẾT BỊ LÊN MEN NUÔI CẤY VI SINH VẬT
TRONG ĐIỀU KIỆN TIỆT TRÙNG:

A. MỞ ĐẦU:
Lên men là quá trình nuôi cấy vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí hoặc
kỵ khí nhằm thu một hoặc một vài sản phẩm trao đổi chất của chúng. Đây là
quá trình có vai trò quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm nói chung
và ngành công nghệ vi sinh nói riêng. Các sản phẩm thường gặp như rượu
bia, nước trái cây, bánh mì…
Trong công nghiệp, lên men được thực hiện trong các nồi lên men cỡ
lớn dung tích có thể đạt tới hàng trăm mét khối.
Đối với quá trình lên men vô trùng thì nồi lên men và cả các van, đường ống
phải có tính chịu áp suất cao để có thể khử trùng ở áp suất cao và trong thời
gian lên men áp suất dư được duy trì suốt cả quá trình để ngăn cản sự xâm
nhập củavi sinh vật lạ.
Vấn đề chính của việc thiết kế nồi lên men là đảm được sự thông khí để
cung cấp sự thông khí để cung cấp oxy đầy đủ cho quá trình sinh trưởng của
chủng nuôi cấy và sinh tổng hợp. Sự thông khí được thực hiện nhờ việc cung
cấp và phân bố không khí và cùng với sự khuấy trộn. Các hệ thống thông khí và
khuấy trộn rất đa dạng. Dưới dây là các thiết bị lên men nuôi cấy vi sinh vật
trong điều kiện tiệt trùng và có bộ đảo trộn cơ học dạng sủi bọt.
1
B. NỘI DUNG:
1. Thiết bị lên men có bộ đảo trộn cơ học dạng sủi bọt:
Hình 10.1
Thiết bị lên men với bộ đảo trộn cơ học có dạng sủi bọt có sức chứa 63 m
3

* Cấu tạo:

1- động cơ; 2- Hộp giảm tốc; 3- Khớp nối; 4- Ổ bi; 5- Vòng bít kín; 6-
Trục; 7- Thành thiết bị; 8- Máy khuấy trộn tuabin; 9- Bộ trao đổi nhiệt dạng
ống; 10- Khớp nối; 11- Ống nạp không khí; 12- Máy trộn kiểu cánh quạt;
13- Bộ sủi bọt; 14- Máy khuấy dạng vít; 15- Ổ đỡ; 16- Khớp để tháo; 17-
Áo; 18- Khớp nạp liệu; 19- Khớp nạp không khí
* Nguyên tắc hoạt động:
Khi cấp điện cho động cơ, thông qua hộp giảm tốc trục quay điều
chỉnh tốc độ các cánh đảo trộn. Nguyên liệu được đưa vào thiết bị qua khớp
nạp liệu 18 đi từ trên xuống vào thiết bị. Không khí tiệt trùng vào ống nạp
2
không khí số 11 và khớp nạp không khí 19, không khí hòa trộn vào nguyên
liệu qua máy đảo trộn 12. Hỗn hợp nhũ tương chất lỏng – không khí được đi
vào thiết bị chiếm 5 – 6 m. Nhờ bố trí các máy khuấy trộn đều cả trên và
dưới mà nguyên liệu luôn được cấp đủ oxy và được đảo trộn liên tục. Trong
quá trình lên men nhiệt sinh lý sinh ra do hoạt động của vi sinh vật được điều
chỉnh nhờ nạp thêm nước vào các ô của áo 17 bên trong có ống xoắn 9. Sản
phẩm đạt yêu cầu được tháo ra ở khớp 16.
* Ưu điểm:
Thiết bị gọn gàng, việc khuấy trộn tốt.
* Nhược điểm:
Các thiết bị lên men có thể tích 63m
3
là tốn kém không kinh tế.
* Ứng dụng: Dạng thiết bị lên men này được sử dụng rộng rãi cho các
quá trình tiệt trùng để nuôi cấy vi sinh vật – sản sinh ra các hóa chất sinh
học. Để sản xuất các chất hoạt hóa sinh học bằng tổng hợp vi sinh.
2. Sơ đồ chỉ dẫn thao tác của thiết bị lên men:
* Cấu tạo:
1- Hơi vào; 2- Không khí tiệt trùng vào; 3- Không khí tiệt trùng hay hơi vào
vùng bít kín; 4- Thoát hơi hay không khí tiệt trùng tới bộ sủi bọt; 5- Hơi hay

không khí tiệt trùng vào thiết bị ở phần trên; 6- Thải hơi hay không khí tiệt
3
trùng tới bộ lấy mẫu thử nghiệm; 7- Thải hơi hay không khí tiệt trùng; 8- Cơ
cấu ống nhánh có van điều chỉnh bằng khí động học; 9- Nạp hơi hay không
khí tiệt trùng vào thiết bị ở phần dưới; 10- Tháo nước ngưng; 11- Áp kế; 12-
Van; 13- Ống tháo; 14- Van khoá; 15- Van lấy mẫu; 16- Nạp hơi hay không
khí tiệt trùng khi lấy mẫu; 17- Đoạn ống để nối áp kế kiểm tra; 18, 25- Các
áp kế; 19- Van để nạp vật liệu cấy; 20- Nạp canh trường; 21, 23- Nạp dung
dịch chuẩn; 22- Thải hơi hay không khí từ vùng bít kín; 24- Ống nhánh để
nạp dung dịch chuẩn; 26- Cung cấp khí thải từ thiết bị; 27- Cung cấp nước;
28- Van rót; 29- Van để rót nước từ áo; 30- Van để nạp nước lạnh; 31- Ống
nhánh để nạp nước lạnh; 32- Lược; 33- Áp kế; 34- Van an toàn; 35- Cảm
biến nhiệt độ; 36, 37- Các dụng cụ thứ cấp để đo nhiệt độ và độ pH; 38- Cảm
biến pH met; 39- Thiết bị lên men; 40- Cơ cấu để làm sạch không khí.
* Nguyên tắc hoạt động:
Hơi và không khí tiệt trùng được dẫn qua lược số 32, để phân phối hơi
và không khí tiệt trùng đi vào các đường ống qua vùng bịt kín 3, bộ sủi bọt 4,
đường ống 5 đi vào phần trên thiết bị. Một phần khác không khí được làm
sạch ở cơ cấu 40 rồi dẫn vào thiết bị. Sau đó nạp canh trường và dung dịch
chuẩn độ vào thiết bị. Trong quá trình lên men để điều chỉnh nhiệt độ người
ta có thể bổ sung nước lạnh vào các áo.
3. Bịt kín trục của thiết bị lên men:
4
* Cấu tạo:
1- Trục; 2- Đệm vòng kín; 3- Cốc đột lỗ; 4- Vỏ của bộ nút kín; 5-
Khớp nối để dẫn không khí tiệt trùng; 6- Ống lót ép; 7- Gugiông; 8- Khớp
nối để nạp khí; 9- Khớp nối để thải nước ngưng
* Nguyên tắc hoạt động:
Sơ đồ bịt kín trục nhờ 6 lớp đệm vòng khít được gia công sơ bộ dung
dịch 0,5% phenol tinh thể. Các lớp ép chặt lại trong ống bọc nhờ các gugiong

(vít cấy). Đệm vòng khít 2 chèn lắp giữa trục 1 và cốc đột lỗ 3. Hai khớp nối
8 được dẫn tới các lỗ cốc. Hơi nạp theo các khớp nối này để tiệt trùng các
vòng bít. Tiệt trùng ở nhiệt độ 135
0
C trong 1h. Nước ngưng chảy vào phần
dưới và được thải ra qua khớp nối 9. Khi kết thúc quá trình tiệt trùng khớp
tháo nước ngưng được đóng lại và không khí tiệt trùng qua khớp 5 vào cơ
cấu bít kín. Trong thời gian của quá trình nuôi cấy áp suất không khí được
giữ ở mức 0,2_0,4 Mpa.
Sau khi tiệt trùng thiết bị và hạ áp suất đến áp suất khí quyển thì nạp tự
động không khí tiệt trùng để tạo áp suất 0,2Mpa và chỉ có sau đó mới nạp
nước lạnh vào thiết bị. Tháo chất lỏng canh trường ra khỏi thiết bị nhờ không
khí nén đã được tiệt trùng.
-Ứng dụng:
Vòng bịt kín thường được lắp vào trục của cơ cấu chuyển đảo để đảm
bảo tiệt trùng trong suốt quá trình lên men.
2. Các thiết bị lên men có đảo trộn bằng khí động học và thông gió
môi trường:
Hình 10.4
Thiết bị lên men dạng xilanh có đảo trộn bằng khí động học và thổi khí môi
trường
5
* Cấu tạo:
1- Khớp nối để tháo; 2- thiết bị thổi khí; 3- Ống xoắn; 4- Cửa; 5-
Khớp nối để nạp không khí; 6- Khớp thải không khí; 7- Khớp nạp liệu; 8-
Cầu thang; 9- Ống khuyếch tán; 10- Áo; 11- Thành thiết bị; 12- Ống quá áp
* Nguyên tắc họat động:
Nguyên liệu được nạp vào theo khớp nạp liệu 7, khí nạp vào theo khốp
nối 5. Không khí đi từ trên xuống theo máy thông gió 2 được lắp theo đường
tâm của thiết bị. Nhờ các cánh hướng ở máy thông gió 2 mà không khí có áp

suất được đưa vào máy thông gió theo tiếp tuyến đến tán phễu tròn làm cho
nhũ tương không khí – chất lỏng chuyển động xoáy. Nhũ tương tuần hoàn
liên tục theo vòng khép kín bên trong theo mép biên của xilanh , vòng không
gian giữa tường trong và tường ngoài thiết bị, sau đó một lần nữa lại lên trên
qua miệng loa. Việc chuyển đảo và thổi khí mạnh do tạo ra vòng tuần hoàn
bên trong. Để thải nhiệt sinh lý có kết quả hơn, ngoài áo 10 có nhiều ngăn
còn bổ sung bề mặt làm lạnh của ống khuếch tán 9.
Kết cấu của thiết bị lên men được tính toán cho hoạt động dưới áp suất dư.
* Ưu điểm:
- Thiết bị gọn gàng, dễ sử dụng.
- Thiết bị có cấu tạo đơn gản hơn thiết bị lên men với bộ đảo trộn cơ
học vì không cần các cánh khuấy.
* Nhược điểm:
- Thiết bị có thể tích làm việc nhỏ hơn so với các thiết bị lên men đảo
trộn bằng cơ học.
- Thiết bị được hoạt động với môi trường lên bọt mạnh
* Ứng dụng:
- Được áp dụng trong những trường hợp khi giống sinh vật không cần
phải khuấy trộn mạnh và độ nhớt không lớn.
Hình 10.5
Thiết bị lên men dạng trao đổi khối mạnh
ϕ
BO – 40 - 0,6
* Cấu tạo:
1- Ống cung cấp khí để thổi; 2- Bộ dẫn động kín; 3- Nắp; 4- Cơ cấu
khử bọt; 5- Miếng đệm; 6- hộp không khí; 7- Khối trụ đứng; 8- Cơ cấu
6
chuyển đảo; 9- Ống để nạp nước lạnh; 10- Động cơ; 11- Bánh đai; 12-
Truyền động bằng đai hình thang; 13- Cơ cấu tháo đỡ; 14- Ống để thải
nước; 15- Các ống trao đổi nhiệt; 16- Ống thải không khí; 17- Ống để khử

bọt; 18- Cửa quan sát
* Nguyên tăc hoạt động:
Nguyên liệu được dẫn vào thiết bị lên men ở cửa số I,
không khí được đưa vào ở cửa số II và cửa III. Người ta nạp không khí nén
một cách liên tục qua thiết bị thổi khí 1 vào không gian tường và ống. Không
khí cuốn hút chất lỏng thành dòng đập vỡ ra thành bọt nhỏ và được khuấy
trộn mạnh với môi trường tạo ra hổn hợp đồng hóa giả. Nhờ có các cánh định
hướng mà chất lỏng chuyển động quay trong ống tuần hoàn và tạo ra vòng
xoáy trung tâm có hàm lượng khí cao. Nhờ ma sát chất lỏng với phần gờ các
ống trong bộ trao đổi nhiệt mà sự chảy rối của các lớp biên được duy trì.
Không khí thải được tách ra khỏi chất lỏng và được thải ra qua ống lót rỗng
của thiết bị khử bọt .
Sản phẩm được tháo ra ở cửa 13. Sự tuần hoàn nhiều lần của canh
trường trong vòng khép kín với các bề mặt định hình tốt, bảo đảm hiệu suất
cao của quá trình và đảm bảo tính đồng nhất của hỗn hợp trong không gian
vòng tuần hoàn. Buồng trao đổi nhiệt đảm bảo tốt tốc độ chảy của tác nhân
lạnh cao làm cho hệ số trao đổi nhiệt lớn.
7