Báo cáo Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn

TRƯỜNG: ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM
KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ LÊN MEN THỰC PHẨM
BÀI BÁO CÁO
GVHD: T.s TRỊNH KHÁNH SƠN
SVTH :
1. HỒ THỊ HÀ TRANG
2. TRẦN THỊ TRÚC GIANG
3. MÔNG THỊ NGA
4. NGUYỄN MINH SƠN
5. LUYỆN VĂN KHÁNH
TP HỒ CHÍ MINH
10/2013
HẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN






Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn





TP.HCM, ngày… tháng… năm……
Chữ ký của giảng viên
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm xin cảm ơn Khoa Công nghệ Hóa Học và Thực Phẩm đã mở
môn học Công nghệ lên men thực phẩm, để giúp chúng tôi tìm hiểu sâu hơn về quá
trình sinh sản cũng như sự phát triển của vi sinh vật trong quy mô công nghiệp.
Và kế tiếp là sự cảm ơn chân thành đến thầy Trịnh Khánh Sơn- người giảng dạy
môn học Công nghệ lên men thực phẩm, thầy đã truyền đạt cho chúng tôi rất nhiều
kiến thức không chỉ qua lý thuyết mà còn rất thực tế, những kinh nghiệm hữu ích
mà thầy mang lại cho chúng tôi là vô cùng quý giá, là hành trang cho chúng tôi sau
này. Cảm ơn vì sự nhiệt tình giải đáp mọi thắc mắc cho chúng tôi. Thầy còn cho
chúng tôi những lời góp ý, những nhận xét chân thành, giúp chúng tôi càng hoàn
thiện hơn.
Do kiến thức còn hạn hẹp, nên còn nhiều thiếu sót trong bài làm, rất mong thầy sẵn
lòng góp ý, để các bài báo cáo lần sau được hoàn thiện hơn.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
MỤC LỤC
1.GIỚI THIỆU
2.NHU CẦU VỀ OXYGEN TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP
3. CUNG CẤP OXYGEN
4. CÁCH XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ K
L
a
4.1 KỸ THUẬT TÁCH KHÍ
4.1.1 TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĨNH
4.1.2 KỸ THUẬT TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG
4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG OXYGEN
5. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIÁ TRỊ K
L
A TRONG BỒN LÊN MEN
27
5.1 ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ KHÔNG KHÍ LÊN K

L
A
5.1.1 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN CƠ HỌC
5.1.2 BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN KHÔNG CƠ HỌC
5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ KHUẤY TRỘN ĐẾN K
L
A
5.2.1 MỐI QUAN HỆ GIỮA K
L
A VÀ ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ
5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG VÀ TÍNH LƯU BIẾN CỦA
MÔI TRƯỜNG LÊN GIÁ TRỊ K
L
A
5.3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA SINH KHỐI VI SINH VẬT ĐẾN K
L
a
5.3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHỮNG SẢN PHẨM VI SINH VẬT
TRONG THÔNG KHÍ
5.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỌT KHÍ VÀ NHỮNG CHẤT CHỐNG TẠO
BỌT LÊN SỰ VẬN CHUYỂN OXYGEN
6. CÂN BẰNG GIỮA SỰ CUNG CẤP VÀ NHU CẦU OXY
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
6.1 ĐIỀU KHIỂN NỒNG ĐỘ SINH KHỐI (controlling biomass
concentration)
6.2 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TIÊU THỤ OXYGEN ĐẶC TRƯNG
(specific oxygen uptake rate)
7. SCALE- UP AND SCALE- DOWN
7.1 CHẾ ĐỘ THÔNG KHÍ/ KHUẤY TRỘN TRONG BỒN KHUẤY

TRỘN CỦA SCALE-UP (Scale-up of aeration/agitation regimes in
stirred tank reactors)
7.2 CÁC BỒN PHẢN ỨNG AIR-LIFT TRONG SCALE-UP (The scale-
up of air-lift reactors) 61
7.3 PHƯƠNG PHÁP SCALE-DOWN (quy mô nhỏ)
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………
1. GIỚI THIỆU
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
Phần lớn các quá trình lên men là lên men hiếu khí, do đó cần phải cung
cấp oxygen. Nếu hóa học lượng phác của sự hô hấp được xem xét, khi đó quá trình
oxygen hóa glucose có thể được biểu diễn như sau:
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
= 6H
2
O + 6CO
2
Như vậy, để oxy hóa hoàn toàn 180g glucose cần 192g oxygen. Tuy nhiên, cả hai
thành phần này phải được hòa tan ở dạng dung dịch trước khi cho vi sinh vật vào,
mà như ta biết, khả năng hòa tan của oxygen trong nước ít hơn của glucose khoảng
6000 lần (môi trường lên men bão hòa khi chứa khoảng 7.6 mg/dm
3
oxygen ở

30
0
C). Như vậy, không thể cung cấp cho môi trường nuôi cấy vi sinh vật tất cả
lượng oxygen cần thiết để oxi hóa hoàn toàn glucose (hay các nguồn carbon khác).
Tuy nhiên, phải cung cấp đủ oxygen trong suốt giai đoạn sinh trưởng để thỏa mãn
nhu cầu của chúng.
Thông thường nhu cầu về oxygen của quá trình lên men công nghiệp được
đáp ứng bằng cách thông khí và khuấy trộn dịch lên men. Tuy nhiên, hiệu suất của
quá trình lên men sẽ giảm nếu oxygen dư thừa, vì vậy, việc xem xét các nhân tố gây
ảnh hưởng đến năng suất của bình lên men để tạo tế bào vi sinh vật bằng oxygen là
một việc hết sức quan trọng. Nhu cầu về oxygen trong quá trình lên men, số lượng
oxygen chuyển hóa và các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển oxygen vào
dung dịch sẽ được xem xét trong chương này.
2. NHU CẦU VỀ OXYGEN TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP
Mặc dù việc xem xét các hóa học lượng phác của sự hô hấp đã cho ta thấy
rõ vấn đề về sự cung cấp oxygen, tuy nhiên nó không biểu thị đúng nhu cầu về
oxygen bởi vì nó không xem xét lượng carbon đã được chuyển hóa thành sinh khối
và sản phẩm.
Một số nhà nghiên cứu đã xem xét toàn bộ hóa học lượng phác của sự
chuyển hóa oxygen, nguồn carbon, nguồn nitrogen thành sinh khối và sử dụng các
mối quan hệ này để phỏng đoán nhu cầu về oxygen của quá trình lên men. Một số
phương trình chọn lọc được thể hiện ở bảng 9.1.Từ những khẳng định này ta có thể
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
thấy rằng nhu cầu về oxygen của một môi trường nuôi cấy phụ thuộc rất nhiều vào
nguồn carbon có trong môi trường đó.Vì vậy, nguồn carbon càng giảm thì nhu cầu
về oxygen càng lớn. Từ phương trình cân bằng của Darington và Johnson (bảng
9.1) có thể thấy rằng để sản xuất ra 100g sinh khối, thì lượng oxygen cần thiết để
oxi hóa hoàn toàn hydrocarbon xấp xĩ 3 lần lượng oxygen cần để oxi hóa nguồn
carbohydrate.Về mặt này cũng được minh họa trong bảng 9.2. Như ta đã biết, hàm

lượng carbon trong cơ chất hydrocarbon cao sẽ đạt được hệ suất hiệu suất cao (g
sinh khối trên g

cơ chất được tiêu thụ), tuy nhiên, cần nhớ rằng việc lựa chọn nguồn
carbon phải dựa trên sự cân bằng giữa lợi ích hiệu suất sinh khối cao với những bất
lợi khi nhu cầu oxygen cao và sự phát sinh nhiệt. Các vấn đề này đã được thảo luận
kỹ hơn trong chương 4.
Bảng 9.1: Phương trình hóa học lượng phác mô tả nhu cầu oxygen trong quá trình
lên men.
Phương trình cân
Giới hạn được sử dụng
(terms used)
Tác giả
6.67CH
2
O + 2.1O
2
=
C
3.92
H
6.5
O
1.94
+ 2.75CO
2
+
3.42H
2
O

C
3.92
H
6.5
O
1.94
là 100g (khối
lượng chất khô) tế bào nấm
men; CH
2
O là carbohydrate
Darlington (1964)
7.14 CH
2
+ 6.135O
2
=
C
3.92
H
6.5
O
1.94
+ 3.22CO
2
+
3.89H
2
O
CH

2
là hydrocarbon
Darlington (1964)
(A/Y) – B = C
A = lượng oxygen để đốt
cháy 1g cơ chất thành CO
2
,
H
2
O và NH
3
nếu nitrogen
hiện diện trong cơ chất.
B = lượng oxygen cần thiết
để đốt cháy 1g tế bào thành
CO
2
, H
2
O và NH
3
Y = hiệu suất tế bào ( g tế
bào trên g cơ chất)
C = g oxygen được tiêu thụ
để sản xuất ra 1g tế bào.
Johnson (1964)
(dx/dt)/Y + mx + p =
(dCO
2

/dt) = -(dO
2
/dt)RQ
x = nồng độ sinh khối
t = thời gian
Y = g sinh khối/g cơ chất
Righelato cùng các cộng sự
(1968)
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
carbon.
m = hằng số
p = dung sai của kháng sinh
( allowance foe antibiotic)
production)
Y
O/P
= (0.53/Y
P/G
) –
(0.6X/P) – 0.43
Y
O/P
= g oxygen được tiêu
thụ trên g glucose
Y
P/G
= g sodium pencillin G
được sản xuất trên g glucose
X = g tế bào (khối lượng

chất khô) được sản xuất
P = g sodium penicillin G
được sản xuất.
Gooney (1979)
Y
O
= {(32C + 8H
-160)/YM} – 1.58
Y
O
= g oxygen được tiêu thụ
trên g tế bào được sản xuất.
Y = hiệu suất tế bào ( g tế
bào trên g cơ chất)
M = khối lượng phân tử của
nguồn carbon C, H và O =
số nguyên tử carbon, hydro,
oxygen của mỗi phẩn tử
nguồn carbon
Mateles (1971)
Bảng 9.2: Nhu cầu về oxygen của một số vi sinh vật sinh trưởng trong một số cơ
chất (Sau Mateles,1979).
Cơ chất Sinh vật Nhu cầu về
oxygen
Tham khảo
Glucose
Methanol
Octane
Escherichia coli
Pseudomonas C

Pseudomonas sp
0.4
1.2
1.7
Schulze and Lipe (1964)
Goldberg et al (1976)
Wodzinski and Johnson
(1968)
Các phương trình của Darling, Johnson và Mateles chỉ kể đến việc tạo sinh
khối mà không xem xét đến sự hình thành sản phẩm, trong khi các phương trình cân
bằng của Cooney và Righelato xem xét về sự hình thành sản phẩm. Ryu và
Hospodka (1980) đã sử dụng phương pháp của Righelato đã tính được rằng 1g
penicillin tiêu thụ 2,2g oxygen.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
Tuy nhiên, không đủ cơ sở để khẳng định việc cung cấp oxygen cho một
quá trình lên men chỉ đơn giản dựa trên ước lượng nhu cầu tổng thể, bởi vì quá trình
trao đổi vật chất của môi trường nuôi cấy bị ảnh hưởng bởi nồng độ oxygen hòa tan
trong dịch nuôi cấy (the broth). Ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan đến đến tốc
độ hấp thu oxygen đặc trưng (mmoles của oxygen tiêu thụ/g khối lượng khô/h) đã
được chứng minh bằng phương pháp Michaelis-Menten, được mô tả ở hình 9.1.
Hình 9.1. Ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan đến Q
O2
của vi sinh vật.
Từ hình 9.1 có thể thấy rằng tốc độ hấp thu oxygen đặc trưng tăng theo
nồng độ oxygen hòa tan và nó tăng theo đến một điểm nhất định nào đó (được gọi
là C
tới hạn
), trên nồng độ tới hạn thì tốc độ hấp thu oxygen hầu như không tăng thêm
nữa. Một số ví dụ về mức oxygen tới hạn của một loạt vi sinh vật được thể hiện

trong bảng 9.3. Như vậy, ta có thể sản xuất được lượng sinh khối tối đa bằng cách
thỏa mãn tối đa nhu cầu oxygen của sinh vật, bằng cách duy trì nồng độ oxygen hòa
tan đặc trưng lớn hơn mức tới hạn. Nếu nồng độ oxygen hòa tan giảm xuống dưới
mức tới hạn khi đó sự trao đổi vật chất của các tế bào có thể bị rối loạn. Tuy nhiên,
đây thường là mục đích của các nhà công nghệ lên men để sản xuất ra sản phẩm của
vi sinh vật hơn là tế bào vi sinh vật và sự rối loạn trao đổi vật chất của tế bào do
thiếu oxygen có thể có lợi cho việc hình thành nên các sản phẩm nhất định. Đồng
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
thời, nồng độ oxygen hòa tan được cung cấp lớn so với mức tới hạn có thể không
ảnh hưởng tới sự sản xuất sinh khối nhưng có thể kích thích hình thành sản phẩm.
Do đó các điều kiện thông khí cần thiết cho mục đích sản xuất tối ưu sản phẩm có
thể khác so với mục đích thiên về sản xuất sinh khối.
Bảng 9.3: Nồng độ oxygen hòa tan tới hạn của một số vi sinh vật( Riviere, 1977)
Sinh vật Nhiệt độ Nồng độ oxygen hòa tan tới
hạn (mmoles dm
-3
)
Azotobacter sp
Escherichia coli
Saccharomyces sp
Penicillium chrysogenum
30
37
30
24
0.018
0.008
0.004
0.022

Sự nghiên cứu sinh tổng hợp axit amin của Brevibacterium flavum của
Hirose và Shibai cung cấp một ví dụ tuyệt vời về sự ảnh hưởng của nồng độ oxygen
hòa tan đến một loạt các sản phẩm trao đổi chất. Các nhà nghiên cứu này đã chứng
minh được nồng độ oxygen hòa tan tới hạn đối với B. flavum là 0.01 mg/dm
3
và
xem xét mức độ oxygen cần cung cấp cho nuôi cấy gọi là mức độ “ thỏa mãn
oxygen”(oxygen satisfaction), lượng oxygen cần cung cấp là tốc độ hô hấp của môi
trường nuôi cấy, nó được diễn tả như một phần nhỏ của tốc độ hô hấp tối đa. Như
vậy, một giá trị “thỏa mãn oxygen” thấp có nghĩa là nồng độ oxygen hòa tan thấp
hơn mức tới hạn. Mức độ thỏa mãn oxygen ảnh hưởng đến việc sản xuất một loạt
các amino acids thể hiện trong hình 9.2.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
Hình 9.2: ảnh hưởng của nồng độ oxygen hòa tan trong quá trình sản xuất acid
amin từ Brevibacterium flavum (nghiên cứu của Hirose và Shibai, 1980).
Từ hình 9.2, ta có thể thấy rằng mức độ “thỏa mãn oxygen” thấp hơn 1.0
gây ảnh hưởng bất lợi đến việc tạo thành glutamate và aspartate thuộc gốc amino
acid, trong khi đó, phenylalanine, valine và leucine ở mức độ thỏa mãn oxygen lần
lượt là 0.55, 0.6, 0.85 đạt năng suất tối ưu. Con đường sinh tổng hợp các amino acid
được thể hiện ở hình 9.3, từ hình 9.3 có thể thấy rằng glutamin và aspartate đều là
sản phẩm từ chu trình trung gian tricarboxylic acid (TCA), trong khi, phenylalanine,
valine, và leucine là sản phẩm từ hợp chất trung gian glycolysis, pyruvate và
phosphoenol pyruvate. Oxygen bị dư thừa sẽ phát sinh thêm nhiều chu trình trung
gian TCA, trái lại, thiếu oxygen sẽ dẫn đến lượng glucose bị oxi hóa từ chu trình
TCA sẽ ít hơn, các hợp chất trung gian cho phép nhiều hơn để dùng cho sự sinh
tổng hợp phenylalanine, valine và leucine. Do đó, quá trình trao đổi chất để sản sinh
ra các amino acid từ pyruvate bị gián đoạn nhiều hơn.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn

Hình 9.3: Con đường sinh tổng hợp các amino acid phenylalanine, valine, leucine,
lysine, threonine, l-leucine, glutamic acid, proline, glutamine và arginine của
B.flavum.
Zhou cùng các cộng sự (1992) đã đưa ra một ví dụ về ảnh hưởng của
oxygen hòa tan lên sản phẩm trao đổi chất bậc hai từ việc tổng hợp cephalosporin C
bằng Cephalosporium acremonium. Các nhà nghiên cứu này đã chứng minh rằng
nồng độ oxygen tới hạn cho sự sinh tổng hợp cephalosporin C trong suốt giai đoạn
sản suất là 20% bão hòa. Ở nồng độ oxygen hòa tan dưới 20% thì nồng độ
cephalosporin C bị suy giảm và penicillin N tăng lên. Quá trình sinh tổng hợp
cephalosporin C được thể hiện trong hình 9.4.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
Hình 9.4: Sự sinh tổng hợp cephalosporin C, cho biết các bước tiêu thụ oxygen như
sau:
i Isopenicillin-N-synthase,
ii Deacetoxycephalosporin C synthase ( thường được gọi là expandase),
iii Deacetyl cephalosprin C synthase ( thường được gọi là hydroxylase).
Từ hình 9.4 có thể thấy rằng trong quá trình này có 3 bước tiêu thụ oxygen:
i Sự tạo vòng của tripeptide, α-amino-adipyl-cysteinyl-valine thành
isopenicillin N.
ii Mở vòng penicillin N thành deacetoxycephalosporin C (DAOC).
iii Hydroxyl hóa DAOC tạo thành deacetylcephalosporin C.
Ở nồng độ oxygen thấp DAOC không tích lũy được, và do đó xuất hiện giai
đoạn oxygen nhạy nhất, đó là bước enzyme mở vòng (expandase) dẫn đến kết quả
penicillin N được tích lũy dưới sự thiếu oxygen.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
Nhiều quá trình lên men đòi hỏi nồng độ oxygen hòa tan cao, nhưng phải đảm bảo
rằng các quá trình lên men không vượt quá lượng oxygen được cung cấp từ bình lên
men do đó một số quy trình kỹ thuật đã phát triển. Nhu cầu về oxygen của các quá

trình lên men phụ thuộc lớn vào nồng độ sinh khối và hoạt động hô hấp của chúng
liên quan đến tốc độ tăng trưởng. Bằng cách hạn chế nồng độ ban đầu của môi
trường, sinh khối trong bình có thể được giữ ở mức hợp lý và bằng cách cung cấp
một số chất dinh dưỡng như lượng thức ăn để sinh trưởng, từ đó có thể kiểm soát
được tốc độ hô hấp. Các kỹ thuật về kiểu môi trường và bổ sung chất dinh dưỡng
này được thảo luận trong chương 2 và chương 4 và các chương sau.
3. CUNG CẤP OXYGEN
Oxygen cung cấp cho nuôi cấy vi sinh vật thường ở dạng khí, đây là nguồn
khí có sẵn rẻ nhất. Với các quy mô khác nhau, có những phương pháp cung cấp
khác nhau như là:
i Nuôi cấy trên quy mô phòng thí nghiệm có thể được thông khí bằng kỹ
thuật bình lắc (shake-flask) khi môi trường nuôi cấy (50 đến 100 cm
3
)
sinh trưởng trong bình hình nón, (250 đến 500cm
3
) được lắc trên bệ điều
khiển trong buồng điều khiển môi trường.
ii Quá trình lên men ở quy mô pilot và trên quy mô công nghiệp thường
được thực hiện bằng cánh khuấy đảo, bình thông khí gọi là bình lên men
(fermenter), chúng được đề cặp trong chương 7. Tuy nhiên, để việc kiểm
soát, điều khiển, bổ sung chất dinh dưỡng cũng như việc lấy mẫu được
thực hiện một cách thuận tiện và dễ dàng hơn thì bình khuấy đảo và bình
thông khí nên có thể tích tương đối nhỏ (1 dm
3
). Một số bình lên men
được thiết kế sao cho phù hợp với sự vận chuyển oxygen mà không cần
khuấy trộn. Hệ thống thiết kế này được gọi là cột bọt khí và bình phản
ứng air-lift cũng được thảo luận trong chương 7.
Bartholomew cùng các cộng sự đã trình bày sự vận chuyển oxygen từ

không khí đến tế bào trong suốt quá trình lên men, gồm một số bước sau:
i Sự vận chuyển oxygen từ bọt khí vào dung dịch.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
ii Sự vận chuyển oxygen hòa tan qua môi trường nuôi cấy đến tế bào vi
sinh vật.
iii Sự tiêu thụ oxygen hòa tan của tế bào.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh được bước hạn chế trong vận chuyển
oxygen từ không khí đến tế bào trong quá trình lên men Streptomyces griseus là
chuyển oxygen vào trong dung dịch. Những phát hiện này đã được chứng minh là
hoàn toàn chính xác cho quá trình lên men không có tính nhớt nhưng cũng chứng
minh được rằng trong quá trình lên men có tính nhớt cao nhất định, sự vận chuyển
bị hạn chế bởi một trong 2 giai đoạn. Những khó khăn vốn có trong nhiều quá trình
lên men được thảo luận sau trong chương này.
Tốc độ vận chuyển oxygen từ bọt khí đến pha chất lỏng có thể được mô
phỏng bằng phương trình cân bằng sau:
dC
L
/dt = K
L
a(C
*
- C
L
) (9.1)
Trong đó: C
L
nồng độ oxygen hòa tan trong canh trường lên men (mmoles dm
-3
),

t là thời gian (giờ),
dC
L
/dt là nồng độ oxygen thay đổi trong một khoảng thời gian, tức là
tốc độ vận chuyển oxygen (mmoles O
2
dm
-3
h
-1
),
K
L
là hệ số truyền khối (cm /h),
a là diện tích bề mặt ranh giới giữa chất khí và chất lỏng trên một đơn
vị thể tích chất lỏng (cm
2
/cm
3
),
C
*
nồng độ oxygen bão hòa (mmoles dm
-3
).
K
L
có thể được xem như là tổng nghịch đảo các lực cản (resistance) để
chuyển hóa oxygen dưới dạng khí thành lỏng và (C
*

- C
L
) có thể được xem như là ‘
lực truyền động’ qua các lực cản. Xác định K
L
và ‘a’ trong quá trình lên men thì vô
cùng khó khăn, do đó, cả 2 số hạng này thường được kết hợp với nhau thành một số
hạng K
L
a, hệ số truyền khối theo theo thể tích có đơn vị là nghịch đảo của thời gian
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
(h
-1
). Hệ số truyền khối theo thể tích được sử dụng như là đơn vị đo công suất thông
khí của bình lên men. K
L
a càng lớn thì công suất thông khí của hệ thống càng cao.
Giá trị K
L
a sẽ phụ thuộc vào kiểu và các điều kiện vận hành của bình lên men đồng
thời nó cũng bị ảnh hưởng bởi sự biến thiên của tốc độ thông khí, tốc độ khuấy trôn,
thiết kế của cánh khuấy. Các biến số này ảnh hưởng đến K
L
do sự giảm lực cản để
chuyển hóa và ảnh hưởng đến “a” do sự thay đổi số lượng, kích thước và thời gian
ổn định của bọt không khí. Rất thuận tiện để sử dụng K
L
a như một thước đo hiệu
suất quá trình lên men vì không giống như tốc độ vận chuyển oxygen, nó không bị

ảnh hưởng bởi nồng độ oxygen hòa tan. Tuy nhiên, tốc độ vận chuyển oxygen là
tiêu chuẩn giớn hạn trong một quá trình lên men và, từ phương trình cân bằng 9.1,
có thể thấy sự ảnh hưởng của cả K
L
a và nồng độ oxygen hòa tan. Nồng độ oxygen
hòa tan phản ánh sự cân bằng giữa oxygen hòa tan của bình lên men và nhu cầu
oxygen của sinh vật. Nếu K
L
a của bình lên men và nhu cầu oxygen của sinh vật
không thể giao nhau thì nồng độ oxygen hòa tan sẽ giảm xuống thấp hơn mức tới
hạn (C
crit
). Nếu K
L
a và nhu cầu oxygen của sinh vật có thể giao nhau một cách dễ
dàng thì nồng độ oxygen hòa tan sẽ lớn hơn C
crit
và có thể lên đến 70-80% mức bão
hòa. Do đó, K
L
a của bình lên men phải được điều chỉnh sao cho nồng độ oxygen đạt
tối ưu để sự hình thành sản phẩm có thể được duy trì trong dung dịch trong suốt quá
trình lên men.
4. CÁCH XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ K
L
a
Việc xác định giá trị K
L
a của bồn lên men là cần thiết để thiết lập hiệu quả
thông khí của thiết bị và xác định những ảnh hưởng của biến số vận hành đến việc

cung cấp oxygen. Phần này xem xét những ưu nhược điểm của các phương pháp
được sử dụng để xác định giá trị K
L
a. Điều quan trọng phải nhớ rằng trong giai đoạn
này oxygen hòa tan thường được giám sát bằng điện cực oxygen hòa tan (xem
chương 8), nó ghi lại hoạt độ oxygen hòa tan hoặc hàm lượng (tension) oxygen hòa
tan (DOT), trong khi đó những phương trình mô tả quá trình vận chuyển oxygen
dựa trên nồng độ oxygen hòa tan. Khả năng hòa tan của oxygen bị ảnh hưởng bởi
các chất tan để nước tinh khiết và môi trường lên men bão hòa với oxygen sẽ có
nồng độ oxygen hòa tan khác nhau nhưng DOT phải giống nhau, nghĩa là điện cực
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
oxygen sẽ ghi lại 100% cho cả hai. Do đó để chuyển DOT sang nồng độ, khả năng
hòa tan của oxygen trong môi trường lên men phải được xác định và điều này hiện
giờ có thể khó khăn.
4.1 Kỹ thuật tách khí
Việc xác định giá trị K
L
a của hệ thống len men bằng kỹ thuật tách khí phụ
thuộc vào việc kiểm soát sự tăng lên của nồng độ oxygen hòa tan tronng dung dịch
trong suốt quá trình thông khí và khuấy trộn. Tốc độ vận chuyển oxygen sẽ giảm
trong suốt thời gian thông khí, khi C
L
đạt tới C
*
dẫn đến lực truyền động giảm (C
*
-
C
L

). Tốc độ vận chuyển oxygen tại một thời điểm bất kỳ sẽ bằng độ dốc của đường
tiếp tuyến với đường cong của giá trị nồng độ oxygen hòa tan theo thời gian thông
khí, được thể hiện trong hình 9.5
Hình 9.5: Tăng nồng độ oxygen hòa tan của dung dịch trong giai đoạn thông khí.
Tốc độ oxygen hòa tan tại thời gian X bằng với độ dốc của đường tiếp tuyến tại Y.
Để kiểm soát sự gia tăng của oxygen hòa tan trên phạm vi thích hợp, điều cần thiết
đầu tiên để giảm giá trị oxygen. Để hạ thấp nồng độ oxygen hòa tan hai phương
pháp đã được sử dụng là: phương pháp tĩnh và phương pháp động.
4.1.1 TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĨNH
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
Kỹ thuật này đầu tiên được mô tả bởi Wise (1951), nồng độ oxygen trong
dung dịch được hạ xuống do nó thoát ra khỏi chất lỏng cùng với khí nitrogen, vì thế
dung dich được gọi là”scrubbed” không có oxygen. Chất lỏng được khử oxygen sau
khi được thông khí và khuấy trộn, lượng oxygen hòa tan tăng lên sẽ được kiểm soát
bằng việc sử dụng đầu dò oxygen hòa tan. Sự gia tăng nồng độ oxygen hòa tan đã
được mô tả bằng phương trình (9.1), cụ thể:
dC
L
/dt = K
L
a(C* -C
L
)
và được biểu diễn trong hình 9.5. Tích phân phương trình (9.1) thu được :
ln(C
*
- C
L
) = -K

L
at (9.3)
Như vậy, đường ln (C
*
- C
L
) theo thời gian sẽ thu được đường thẳng có độ
dốc -K
L
a, như hình 9.6. Kỹ thuật này tiến bộ hơn phương pháp oxi hóa sunphite ở
chỗ nó thực hiện rất nhanh (bình thường chỉ mất 15 phút) và có thể sử dụng môi
trường lên men, môi trường này có thể thêm vào tế bào chết và nấm sợi ở nồng độ
tương ứng để bằng với nồng độ sản phẩm trong suốt quá trình lên men. Tuy nhiên,
sử dụng môi trường lên men có hay không có sinh khối bị chết bắt buộc dùng kiểu
điện cực có màng, thời gian phản ứng của nó có thể không phù hợp để phản ánh sự
thay đổi thực sự của tốc độ oxygen hóa trong một thời gian ngắn. Thời gian phản
ứng của đầu dò (T
p
) được xác định là thời gian cần để ghi lại 63% từng bước thay
đổi và nó nên nhỏ hơn thời gian phản ứng chuyển hóa sinh khối của hệ thống
(1/K
L
a). Theo Van’t Riet (1979), sử dụng điện cực có tính thương mại hóa ,với thời
gian phản ứng từ 2 đến 3 giây, giá trị K
L
a có thể lên tới 360h
-1
, được đo với độ
chính xác tương đối thấp. Tuy nhiên, để ước lượng giá trị K
L

a chính xác hơn cần
phải kết hợp chặt chẽ các nhân tố hiệu chỉnh vào quá trình tính toán, như thảo luận
của Taguchi and Humphrey (1960), Heineken(1970,1971) và Wernau ,Wilke
(1973). Khả năng hòa tan của oxygen trong dung dịch không cần quan tâm vì các
giá trị DOT có thể được sử dụng trực tiếp để tính toán các tốc độ, cụ thể C
*
được
chọn100%.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
Hình 9.6: Đồ thị của ln( C* - C
L
) theo thời gian của quá trình thông khí, đường dốc
là K
L
a.
Phương pháp này được chấp nhận cho bình lên men ở quy mô nhỏ, bình lên
mên quy mô lớn do thời gian lưu lại của khí lớn nên phương pháp này có những hạn
chế khắc khe. Sau khi khử oxygen cùng với nitrogen, khí sẽ được nạp vào bình,
nồng độ oxygen trong pha khí có thể thay đổi theo thời gian vì nitrogen bị thay thế
bằng khí. Như vậy C
*
sẽ không còn là hằng số. Mặc dù các nhân tố hiệu chỉnh được
sử dụng để bù lại cho hiện tượng này, Van’t Riet and Tramper (1991) đã kết luận
rằng phương pháp này không nên sử dụng cho bồn lên men có chiều cao hơn một
mét.
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
4.1.2. KỸ THUẬT TÁCH KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG
Tagachi và Humphrey (1996) sử dụng hoạt động hô hấp ở giai đoạn tăng

trưởng của quá trình nuôi cấy trong bồn lên men để hạ thấp mức oxygen trước khi
thông khí. Do đó, việc dự đoán lợi ích trong suốt quá trình lên men đã mang lại
những đánh giá thực tế hơn về hiệu quả của bồn lên men. Bởi vì bản chất phức tạp
của môi trường lên men, nên đầu dò được sử dụng để kiểm soát sự thay đổi nồng độ
oxygen hòa tan là loại phải có màng phủ kín và đòi hỏi sử dụng các nhân tố hiệu
chỉnh phản ứng dựa vào yếu tố cho trước. Phương pháp bao gồm việc ngừng cung
cấp không khí cho quá trình lên men, làm cho nồng độ oxygen hòa tan giảm tuyến
tính nguyên nhân là hô hấp trong quá trình nuôi cấy như biểu đồ 9.7.
Hình 9.7: Tách bằng phương pháp động học để xác định giá trị K
L
a. Quá trình
thông khí kết thúc tại điểm A, và bắt đầu lại ở điểm B.
Độ dốc của đường thẳng AB trong biểu đồ 9.7 là đơn vị đo tốc độ hô hấp
trong quá trình nuôi cấy. Tại điểm B, bắt đầu sục khí trở lại và nồng độ oxygen hòa
tan tăng tới khi đạt đến nồng độ X. Trong giai đoạn này, đường BC, quan sát sự gia
tăng nồng độ oxygen hòa tan, ta thấy rằng có sự khác nhau giữa vận chuyển oxygen
vào dung dịch và tiêu thụ oxygen bằng hô hấp khi nuôi cấy được biểu diễn bằng
phương trình sau:
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
dC
L
/dt =K
L
a(C
*
- C
L
) -xQ
O2

(9.4)
trong đó : x là nồng độ sinh khối
Q
O2
tốc độ hô hấp đặc trưng (mmole của oxygen/g sinh khối/giờ)
Giá trị xQ
O2
được thể hiện bởi độ dốc đường AB trong biểu đồ 9.7. Phương trình 9.4
được sắp xếp lại như sau:
C
L
= -1/K
L
a {(dC
L
/dt) + xQo
2
} + C* (9.5)
Như vậy, từ phương trình (9.5), biểu đồ C
L
theo dC
L
+xQo
2
sẽ là đường thẳng , độ
dốc của nó sẽ bằng -1/K
L
a, nó được thể hiện như trong hình 9.8. Trong kỹ thuật, sử
dụng DOT trong các phương trình sẽ thuận tiện hơn là nồng độ bởi vì tốc độ vận
chuyển và tiêu thụ đang được kiểm soát để mà việc đọc phần trăm bão hòa có thể

được sử dụng trực tiếp bởi điện cực.
Hình 9.8: Xác định giá trị K
L
a bằng phương pháp động học. Những thông tin được
gom nhặt từ hình 9.7 bằng việc lấy tiếp tuyến của đường cong BC, tại các giá trị
khác nhau của C
L
Tách khí bằng phương pháp động có ưu điểm hơn phương pháp xác định K
L
a trong
quá trình lên men thực trước đó và có thể sử dụng để xác định giá trị K
L
a tại các giai
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
đoạn khác nhau trong quy trình. Kỹ thuật này cũng nhanh và chỉ yêu cầu sử dụng
đầu dò oxygen hòa tan, loại có màng. Một hạn chế chủ yếu trong quá trình vận hành
của kỹ thuật này là nằm ngoài vùng mà sự gia tăng nồng độ oxygen hòa tan có thể
được đo. Điều quan trọng là không để cho nồng độ oxygen giảm xuống dưới nồng
độ tới hạn trong suốt giai đoạn khử oxygen bởi vì như thế tốc độ hấp thụ oxygen
đặc trưng sẽ bị giới hạn và giá trị xQo
2
sẽ không ổn định trong quá trình thông khí
trở lại. Tình trạng thiếu hụt oxygen xảy ra trong suốt quá trình khử oxygen có thể
được xác định dựa vào sự chênh lệch nồng độ oxygen bị hạ thấp từ mối quan hệ
tuyến tính với thời gian, thể hiện trong biểu đồ 9.9.
Hình 9.9: Những giới hạn của oxygen xảy ra trong suốt quá trình tách khí bằng
phương pháp động của một quá trình lên men.
Khi nhu cầu oxygen của quá trình nuôi cấy lên rất cao, việc duy trì đáng kể
nồng độ oxygen hòa tan trên nồng độ tới hạn (C

crit
) để giới hạn đo lường dùng xác
định giá trị K
L
a sẽ rất nhỏ có thể khó khăn trong suốt quá trình lên men. Như vậy,
việc ứng dụng phương pháp này trong suốt quá trình len men là hết sức khó khăn để
nhu cầu oxygen gần với dung tích chứa của bồn lên men.
Mặc dù quá trình khử khí nitrogen không gây ra những khó khăn trong
phương pháp động này nhưng cũng không thích hợp khi sử dụng với bồn lên men
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
có chiều cao hơn môt mét. Van
,
t Riet và Tramper (1991) chỉ ra rằng thời gian thực
hiện đối với những bình như thế, để thiết lập trạng thái cân bằng mật độ bọt khí sẽ
rất lớn và bề mặt tiếp xúc giữa khí và lỏng sẽ thay đổi hơn trong thời gian thông khí
dẫn đến xác định giá trị K
L
a thấp dưới điều kiên vận hành bình thường. Cả hai
phương pháp động và tĩnh không thích hợp để xác định giá trị K
L
a trong hệ thống
nhớt. Nguyên nhân là do bọt khí được hình thành rất nhỏ trong hệ thống nhớt
( đường kính < 1mm), do đó thời gian chúng tồn tại trong dịch nuôi cấy sẽ dài hơn
so với những bọt khí có kích thước bình thường. Như vậy, phương pháp tách khí chỉ
hữu ích trên quy mô nhỏ với hệ thống không nhớt.
4.2 Phương pháp cân bằng oxygen
Giá trị K
L
a của bồn lên men có thể được xác định trực tiếp trong suốt quá

trình lên men bằng kỹ thuật cân bằng oxygen, lượng oxygen vận chuyển vào dung
dịch trong khoảng thời gian nhất định. Phương pháp bao gồm việc đo các thông số
sau:.
(i)Thể tích dịch môi trường chứa trong bình,V
L
(dm
3
)
(ii) Tốc độ dòng khí theo thể tích được đo tại đầu khí vào và đầu khí ra,tương ứng
Q
i
và Q
o
(dm
3
min
-1
).
(iii) áp suất tổng được đo tại đầu ra và vào của thùng lên men, tương ứng P
i
và P
o
(atm,tuyệt đối).
(iv) Nhiệt độ không khí tại đầu ra và đầu vào của thiết bị,tương ứng với T
i
và T
o
(v) Phần mol của oxygen được đo tại đầu ra và vào của thiết bị, tương ứng y
i
và y

o
Tốc độ vận chuyển oxygen sau đó được xác định từ phương trình sau (Wang và
cộng sự, 1979):
ORT = (7.32× 10
5
/V
L
)(Q
i
P
i
y
i
/T
i
– Q
o
P
o
y
o
/T
o
) (9.6)
Trong đó 7.32 × 10
5
là hệ số biến đổi cân bằng (60 min h
-1
)[mole/22.4dm
3

(SPT)]
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
(273K/1atm).
Các phép đo lường này yêu cầu những đồng hồ đo lưu lượng, máy đo áp
suất, thiết bị cảm biến nhiệt độ cũng như máy phân tích khí oxygen phải chính xác
(xem chương 8). Máy phân tích khí oxygen lý tưởng là máy phân tích quang phổ
kế, thiết bị này đủ chính xác để phát hiện những thay đổi từ 1 đến 2%.
Giá trị K
L
a có thể được xác định, khi biết C
L
và C, từ phương trình (9.1):
ORT =K
L
a (C
*
-C
L
) hoặc K
L
a =ORT/(C
*
-C
L
)
Giá trị C
L
có thể được xác định bằng cách dùng điện cực oxygen hòa tan
kiểu có màng và trong trường hợp này thời gian phản ứng ngắn không là nhân tố

quan trọng bởi vì tốc độ thay đổi không được đo, đơn giản là vì nồng độ oxygen ở
trạng thái ổn định. Tuy nhiên , cần nhớ rằng điện cực này chỉ đo được áp lực
oxygen tại một điểm. Do đó nên xác định hàm lượng oxygen tại nhiều điểm trong
bồn lên men với nhiều điện cực và sử dụng giá trị trung bình của chúng. Cũng như
hàm lượng oxygen hòa tan (DOT) ghi được phải chuyển đổi sang nồng độ, cần phải
biết được khả năng hòa tan của oxygen trong môi trường lên men. Giá trị của C
*
thường được xem như là giá trị ở trạng thái cân bằng với nồng độ oxygen tại vị trí
khí ra. Wang và cộng sự (1979) cho rằng phương pháp này thích hợp cho thiết bị
lên men ở quy mô nhỏ, trên quy mô lớn có sự khác nhau rất lớn giữa nồng độ
oxygen hòa tan ở trạng thái cân bằng với khí đầu vào và đầu ra. Do đó, các nhà
nghiên cứu này đã đề nghị rằng chế độ khí đi qua bồn lên men phải xấp xỉ điều kiện
lưu lượng plug và nồng độ oxygen hòa tan nên dùng giá trị logarit trung bình.
Phương pháp cân bằng oxygen dường như là phương pháp đơn giản nhất để
ước lượng giá trị K
L
a và có ưu điểm là đo được khả năng thông khí trong quá trình
lên men. Phương pháp oxi hóa sulphite và tách khí bằng phương pháp tĩnh không
mang lại thuận lợi khi dùng cho dung dịch muối và, môi trường chưa cấy chủng và
vô trùng. Mặc dù Banks (1977) cho thấy phương pháp này chỉ thích hợp để so sánh
giữa các thiết bị và thông số vận hành, không nên cho rằng những giá trị thu được là
thông số vận hành thực sự trong suốt quá trình lên men. Đây có thể là trường hợp
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn
Công nghệ lên men thực phẩm : Sự thông khí và khuấy trộn
lên men của vi khuẩn hoặc nấm men, trong đó, tính lưu biến của huyền phù tế bào
trong canh trường giống với môi trường vô trùng hoặc môi trường muối, nhưng có
thể chắc chắn rằng nó không chính xác cho quy trình nấm và Streptomycete vì tính
lưu biến khá khác nhau.
Tuffile và Pinho (1970) so sánh một số phương pháp để xác định giá trị K
L

a
trong môi trường lên men nhớt của Steptomycete. Phương pháp được sử dụng là
tách khí bằng phương pháp tĩnh, bằng phương pháp động và cân bằng oxygen.
Tuffile và Pinho đã không làm rõ rằng nấm sợi không hô hấp nhưng vẫn tồn tại
trong suốt kỹ thuật tách khí tĩnh, nhưng từ kết quả của họ cũng có thể thấy rằng
chúng tồn tại trong bồn lên men. Như vậy tính lưu biến bên trong của bồn lên men
là giống nhau khi sử dụng những cách xác định khác nhau. Giá trị K
L
a được xác
định bằng các phương pháp khác nhau, bồn lên men có thể tích 300 dm
3
nuôi cấy
trong 90 giờ cho Streptomyces aureofaciens được thể hiện trong bảng 9.4.
Bảng 9.4: Giá trị K
L
a của bồn lên men có thể tích 300 dm
3
, nuôi cấy trong 90 giờ
của S. aureofaciens
Phương pháp xác định K
L
a
Tốc độ hấp thụ oxygen đo
được
(m moles dm
-3
h
-1
)
K

L
a
(h
-1
)
Thổi khí ra ngoài tĩnh - 58.2
Thổi khí ra ngòa động 6.6 58.2
Cân bằng oxygen 20.1 108.0
Từ bảng 9.4 chúng ta có thể thấy rằng giá trị K
L
a từ hai phương pháp tách
khí là như nhau nhưng có sự khác biệt đáng kể giữa tốc độ hấp thụ oxygen và gái trị
K
L
a của phương pháp tách khí động và phương pháp cân bằng. Tuffile và Pinho
(1970) cho rằng khi sử dụng phương pháp động thì tốc độ hấp thụ oxygen thấp hơn
nguyên nhân là do bọt khí còn sót lại trong trong dịch huyền phù trong suốt thời
gian tách. Như vậy, sự suy giảm nồng độ oxygen sau khi ngừng thông khí không
phải là thước đo tốc độ hấp thu oxygen nhưng sự khác nhau giữa hấp thụ oxygen và
vận chuyển oxygen từ bọt khí còn sót lại. Một phần lớn bọt khí duy trì ở dạng
huyền phù trong khoảng 15 phút sau khi quá trình thông khí kết thúc.Việc sử dụng
Nhóm 1 – Giảng viên hướng dẫn: Trịnh Khánh Sơn