Báo cáo Công nghệ lên men thực phẩm : thiết bị đo và điều khiển

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Khoa: Công Nghệ Hóa Học & Thực Phẩm
Môn Học: Công Nghệ Lên Men
ĐỀ TÀI: THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN
GVHD: Trịnh Khánh Sơn
Nhóm 3:
Lê Thị Chiến 11116008
Phạm Đình Hà 11116024
Phạm Thị Lệ 11116033
Phan Văn Luật 11116036
Vanxay Phimphone 11116L02
TP.HCM 10/2013
[Type text] Page 1
Công nghệ Lên men
Chương 8: Thiết bị đo và điều khiển
Mục Lục
Page 2
Công nghệ Lên men
Page 3
Công nghệ Lên men
1. Giới thiệu
Lên men thành công phụ thuộc vào việc xác định điều kiện môi trường cho sinh
khối và sản phẩm lên men. Để đạt được những mục tiêu đó, điều quan trọng phải hiểu cái
gì xảy ra trong quá trình lên men và làm thế nào để điều khiển chúng sao cho đạt hoạt
động tối ưu. Do đó nhiệt độ, PH, tốc độ khuấy, nồng độ oxy trong môi trường và các yếu
tố khác có thể phải được giữ ổn địnhtrong quá trình vận hành.Quy định này đòi hỏi theo
dõi cẩn thận (thu nhận dự liệu và phân tích) quá trình lên men, bất kỳ sai lệch so với quy
định tối ưu có thể được điều chỉnh bằng hệ thống điều khiển. Tiêu chuẩn thường xuyên
được theo dõi thường xuyên được sử dụng trong bảng 8.1, song song với cùng với sự kết
hợp của điều khiển vận hành. Điều này góp phần duy trì sự ổn định của điều kiện môi
trường. Việc theo dõi quá trình lên men có thể cho chúng ta thông tin về sự tiến triển của

nó. Như thông tin chỉ ra thời gian tối ưu để thu được kết quả hoặc sự tiến triển quá trình
lên men diễn ra không bình thường. Điều này có thể chỉ ra những bất thường hoặc dấu
hiệu chuẩn bị thoái hóa. Do đó thiết bị theo dõi sản phẩm lên men chỉ ra sự phát triển lên
men và liên kết với hệ thống điều khiển.
Trong các nghiên cứu ban đầu số các chức năng đó sẽ được kiểm soát có thể được
giới hạn để đạt được kiến thức thêm về một quy trình lên men cụ thể. Do đó pH có thể
được đo và ghi lại nhưng không duy trì ở pH quy định, nồng độ oxy hòa tan có thể được
xác định nhưng không cố gắng sẽ được thực hiện để ngăn chặn suy giảm oxy.Điều đó
quan trong để xem xét sự cần thiết về thiết bị cảm ứng và kết hợp với thiết bị điều khiển
giao diện với máy tính (sẽ được thảo luận phần sau).Trong chương này sẽ xem xét hệ
thống điều khiển chung dùng được có sẵn, tiêu chuẩn theo dõi và điều khiển và vai trò
của máy tính. Nhiều thông tin về thiết bị và điều khiển sẽ được viết bới
Flynn(1983,1984), Armiger (1985), Bull(1985), Rolf và Lim(1985), Bailey và
Ollis(1986), Kristiansen(1987), montague et al (1988), Duusseljee và Feijen(1990),
Atkinson và Mavituna(1991) và Royce(1993).
Page 4
Công nghệ Lên men
Trong bảng 8.1 thể hiện một số lượng đáng kể các các quá trình biến đổi có thể
cần phải được theo dõi trong một quá trình lên men. Phương pháp để đo lường những
biến, cảm biến hoặc thiết bị cho các quá trình kiểm soát thay đổi, có thể được trình bày
dưới đây.
Có 3 loại cảm biến chính:
1 Cảm biến cái mà xâm nhập vào bên trong lên men như điện cực Ph, điện cực phân giải
nồng độ oxy.
2 Cảm biến cái mà hoạt động trong mẫu. Mẫu là cái được liên tục thu hồi từ quá trình lên
men như phân tích khí xả.
3 Cảm biến không được tiếp xúc với dịch lên men hoặc khí như máy đo tốc độ, tế bào tải.
(load cells)
Nó cũng là cảm biến đặc trưng liên quan đến ứng dụng của nó để kiểm soát quá
trình.

1 In-line sensor: Cảm biến là một phần tích hợp của thiết bị lên men và giá trị đo được nó
được sử dụng trực tiếp để kiểm soát quá trìn
2 On-line sensor: Mặc dù cảm biến là một phần của thiết bị lên men, nhưng các giá trị đo
không thể sử dụng ngay để điều khiển. Người điều khiển máy phải nhập giá trị đo của hệ
thống nếu dữ liệu được sử dụng trong quá trình điều khiển.
Page 5
Công nghệ Lên men
3 Off-line sensor: Cảm biến không phải là một phần tích hợp của thiết bị lên
men. Giá trị đo được không thể được sử dụng cho quá trình điều khiển. Người điều khiển
cần thực tế hóa (như mẫu phân tích hoặc cân nặng mẫu) và nhập giá trị đo vào trong hệ
thống điều khiển
Khi đánh giá cảm biến để sử dụng trong đo và điều khiển .Điều quan trong xem
xét thời gian phản ứng, kết quả, độ nhạy, độ chính xác, sự dễ dàng và tốc độ, sự ổn định,
độ tin cậy, đầu ra (tiếp tục hoặc khôn tiếp tục), nguyên liệu tạo nên, tình trạng hoạt động,
tiệt trùng, bảo quản,thanh toán và giá trị ( Flynn,1983,1984; Royce,1993)
2.Phương pháp đo những giá trị trong sản xuất.
2.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ trong vessel men hoặc ống, một trong những thông số quan trọng nhất để
theo dõi và điều khiển trong bất kì quy trình nào. Nhiệt độ có thể đo bằng nhiệt kế thủy
ngân, nhiệt kế lưỡng kim, nhiệt kế bóng áp suất, cặp nhiệt điện, nhiệt kế dựa vào điện trở
kim loại và nhiệt kế điện tử. Trong đó thì nhiệt kế kim loại và nhiệt kế điện tử được ứng
dụng nhiều nhất trong lên men. Độ chính xác của nhiệt kế thủy ngân được sử dụng để
Page 6
Công nghệ Lên men
kiểm tra và hiệu chỉnh nhiệt độ cảm biến khác. Trong khi các loại nhiệt kế rẻ hơn vẫn
được sử dụng trong phòng thí nghiệm.
2.1.1 Nhiệt kế thủy ngân
Nhiệt kế thủy ngân có thể được sử dụng trực tiếp trong diện tích nhỏ như ghế băng
trong lên men. Nhưng nó rất dễ vỡ do đó hạn chế sử dụng.Trong quy mô công nghiệp cần
thiết lồng nó vào trong túi nhiệt kế trong thùng lên men. Cái đưa vào thời gian sau khi đi

nhiệt độ thùng lên men. Đây là loại nhiệt kế có thể sử dụng đơn lẻ để biểu thị, không
được điều khiển tự động hay ghi lại.
2.1.2 Nhiệt kế điện trở
Chúng ta cũng được biết rằng điện trở của kim loại thay đổ với giá trị nhiệt độ
khác nhau. Đây là tính chất được sử dụng trong thiết kế các nhiêt kế điện trở. Bóng đèn
của thiết bị chứa yếu tố điện trở, một khuôn mica (mỗi lần đo rất chính xác) hoặc xung
quanh khung gốm (mạnh nhưng độ chính xác không cao) Các yếu tố nhạy cảm là dây
quấn. Dây dẫn từ bong đèn được kết nối đến các yếu tố đo. Thường đọc kết quả thu được
bắng cách sử dụng mạch wheat-stone biedge và đo nhiệt độ trung bình của yếu tố cảm
ứng. Loại nhiệt kế này có độ chính xác (
±
0.25%
)cao hơn một số thiết bị khác và nhạy
cảm với sự thay đổi nhỏ nhiết đô. Có phản ứng nhanh để phát hiện thay đổi (1-10s) và
không có hạn chế trong khoảng cách rất nhỏ (30x5 mm) và hiển thị điếm tái sản xuất.
Những thiết kế này thưởng kèm theo lớp vỏ bắng thép không gỉ. Nếu chúng được sử
dụng quy mô lớn và có thiết bị hỗ trợ điện trở được quấn. Dây bạch kim điện trở 100Ω
thường được sử dụng.
2.1.3 Nhiệt kế điện tử
Nhiệt kế bán dẫn được làm từ việc phối đặc trưng oxy tinh khiết với sắt, nhôm và
kim loại khác.
Page 7
Công nghệ Lên men
Chúng có đặc điểm chung chính là giá trị điện trở thay đổi rất lớn khi có sự thay
đổi nhỏ nhiệt độ. Sự thay đổi trong điện trở hoàn toàn do nhiệt độ. Nhiệt độ đọc thu được
với Whea-stone bridge hoặc đơn giản hoặc mạch phức tạp tùy thuộc ứng dụng. Nhiệt kế
này tương đố rẻ, được chứng minh là rất ổn định, có thể tái sản xuất và có thể đặt xa từ
nơi đọc điểm. Nhược điểm chính của chúng là nhiệt độ phi tuyến đáng kể so với nhiệt
điện trở đường cong kháng.
2.2 Điều chỉnh nhiệt độ

Việc sử dụng vỏ áo và cuộn ống trong khi lên men trong như một phương tiện để
kiểm soát nhiệt độ đã được mô tả chương 7. Trong hệ thống nhỏ có yếu tố làm nóng,
công suất 300-400 W ứng với 10 dm
3
lên men, cung cấp nước làm mát. Thiết bị này mở
hay tắt phụ thuộc vào việc cần làm nóng hay làm nguội.
Bộphận làm nóng nên càng nhỏ càng tốt để giảm kích thước tản nhiệt kết quả đạt
được khi làm nóng không dài hơn yêu cầu. Trong một số trường hợp nó có thể là tốt hơn
để chạy nước làm mát liên tục với tốc độ ổn định và có bộ phận làm nóng chỉ kết nối với
đơn vị điều khiển. Việc này có thể tốn kém khi hoạt động nếu nước được đổ trực tiếp đến
chất thải. Với quy mô nhỏ Harvard Apparatus Ltd (Firicroft Way, Edenbridge, Kent,
U.K) làm một đơn vị. Các themoscirculator sẽ bơm tuần hoàn themocirculator, yếu tố
làm nóng nước sẽ chìm trong dịch lên men lên đến 10 dm
3
và cho kiểm soát nhiệt độ
±
0.1
o
.
Với quy mô lớn, những nơi mà nóng trong suốt quá trình lên men thì thường
không cần thiết trang bị van điều tiết làm lạnh nước đầu vào có thể đủ để kiểm soát nhiệt
độ. Nếu việc làm lạnh là rất cần thiết thì ta có thể sử dụng nước muối. Nếu lên men được
tiệt trùng hàng loạt hơi đầu vào hơi nước các cuộn dây và lớp áo khoác có thể được thực
hiện.
Hơi đầu vào hơi nước các cuộn dây và lớp áo có thể được thể hiện nếu lên men
đượ tiệt trùng hang loạt.
Page 8
Công nghệ Lên men
Tốc độ chậm cần thiết đối với tế bào động vật để giảm thiệu thiệt hại cắt. Trong
các thùng lên men làm nóng fingers có thể gây ra những điểm nóng cục bộ à gây ra thiệt

hại cho tế bào. Làm nóng vỏ áo (jackects) nhiệt lượng thấp hơn tỉ lệ thuận với bề mặt
ngoài (nước và silicone có cao su bao phủ phần nhiệt điện (chương 7) được sử dụ để giải
quyết vấn đề trên.
2.3 Đo lưu lượng và điều khiển lưu lượng
Đo lưu lượng, điều chỉnh dung dịch, khí rất quan trọng khi kiểm soát các quá
trình.
2.3.1 Khí
Một trong những cách đơn giản để đo tốc độ khí của quá trình lên men là bằng
phương tiện của một mét khu vực biến (means of a variable area meter). Rotameter là cái
được sử dụng nhiều nhất, bao gồm một ống kính gắn kết theo chiều dọc với lỗ khoan
ngày càng tăng và kèm theo một phao di chuyển tự do mà có thể là một quả bóng hoặc
một”cái đê”(thimble) rỗng. Vị trí của phao trong ống đong thủy tinh để chỉ ra tốc độ dòng
chảy. Kích thước khác nhau có thể cung cấp một phạm vi rộng của tốc độ dòng chảy.
Mức độ chính xác phụ thuộc vào lượng khí tại áp suất ổn định. Nhưng sai số lên đến
%10±
của sai số được dẫn chứng. Lỗi lớn nhất là khi tốc độ dòng chảy thấp. Lí tưởng,
rotameter không nên được tiệt trùng mà được đặt ở giữa đầu vào khí và bộ lọc vô trùng.
Không có dự dữ liệu trực tuyến đăng nhập với rotameter đơn giản. Ống kim loại có thể sử
dụng những vị trí mà việc sự dụng thủy tinh không thích hợp. Trên thực tế nơi đặt “ phao
” được xác định bởi từ tính hoặc kỹ thuật điện. Nhưng vị trí này không thường được sử
dụng cho việc lên men. Rotameter cũng có thể được sử dụng để đo lưu lượng dung dịch,
khi hạt mài mòn và những chất xơ không xuất hiện.
Việc sử dụng oxy và carbon dioxide để phân tích khí thải đòi hỏi việc cung cấp
việc đo lưu lượng khí rất chính xác để phân tích được sử dụng hiệu quả. Vì lí do này máy
Page 9
Công nghệ Lên men
đo dòng khí nóng được sử dụng cho phạm vi 0 đến 500 dm
3
min
-1

. Những thiết bị có độ
chính xác
±
1% trên quy mô toàn diện và làm việc trên nguyên tắc đo nhiệt độ khác nhau
thông qua thiết bị làm nóng đặt trên đường dẫn của dòng khí (Fig.8.1) Nhiệt độ đầu dò
như nhiệt kế đặt ở đầu nguồn và cuối nguồn của dòng nóng, phía trong hoặc phía ngoài
của ống dẫn.
Lưu lượng khí, Q có thể được tính toán từ phương trình nhiệt đặc trưng:
H=QC
p
(T
2
-T
1
)
Trong đó H lượng nhiệt truyền (tốc độ dòng chảy của khối lượng khí.)
Cp là tiêu chuẩn nhiệt của khí
T1 nhiệt độ của khí trước khi được truyền nhiệt.
T2 nhiệt độ của khí sau khi được truyền nhiệt.
Từ phương trình trên ta có thể biến đổi lại Q:
Q=H / (C
p
(T
1
-T
2
))
Hinh 8.1 thermal mass flowmeter
Điện thế vào có thể thu được bằng phương pháp này, có thể sử dụng trong dữ liệu
đăng nhập. Điều khiển lưu lượng khí thường sử dụng các van. Thường thì phương pháp

này điều khiển không triệt để, và nó cần thiết để kết hợp tự điều khiển của van. Với quy
mô nhỏ chỉ số dòng chảy (flowstat) có sẵn(G.A.nlaton, Ltd Wella Road, Basingstoke,
Page 10
Công nghệ Lên men
Hamp shire, U.K). Sự thay đổi của áp suất lỗ đo lưu lượng gây ra cho van và piston ép
nguồn mở hoặc đóng phần “còn lại”. Tốc độ dòng chảy được trở lại như cũ. Trong một
flowstat khí các lỗ nên thượng nguồn khi nguồn cung cấp khí ở áp suất quy định và hạ
lưu khi áp lực cung cấp dao động và áp lực trở lại là không. Van hoạt động bằng một cơ
chế tương tự có sẵn cho các ứng dụng ở quy mô lớn.
2.3.1 Dung dịch
Dòng chảy không được vô trùng có thể được theo dõi bởi những thông số công
nghệ (Home et el., 1969). Nhưng đo tốc độ dòng chảy của dung dịch vô trùng găp một số
vấn đề điều này cần phải được giải quyết. Trong phòng thí nghiêm tốc độ dòng chảy có
thể đo thủ công sử dụng burette tiệt trùng kết nối với nguồn ống cung cấp dữ liệu và thời
gian thoát ra ngoài của lượng chất cần đo.Có thể sử dụng rotameters đã được đề cập ở
phần trước. Một phương pháp tốn kém hơn là sử dụng bộ chuyển đổi dòng điện(Home et
al., 1969). Cái mà có đối phó với các loại bụi trong hệ thống treo (which can cope with
particulate matter in suspension) và phạm vi đo tốc độ dòng chảy từ thấp đến cao (50
cm
3
/ phút đến 500000 dm
3/
/ phút) với độ chính xác
%1±
. Trong lưu lượng kế có 2 cuộn
dây ngoài ống.Cung cấp dòng điện xoay chiều để tạo ra một từ trường. Điện áp giảm
trong trường này là tỷ lệ thuận với vận tốc tương đối của chất lỏng và từ trường. Sự khác
nhau của điện thế trong chất lỏng có thể được đo bằng cặp điện cực và tỉ lệ thuận với vận
tốc của chất lỏng.
Trong nuôi cấy hàng loạt và nuôi cấy mẻ một thay thế rẻ hơn để đo tốc độ dòng

chảy gián tiếp tế bào tải (by load cell) (xem xét trọng lượng). Lên men và tất cả hồ chứa
phụ trợ được gắn để load cells.
Page 11
Công nghệ Lên men
Hình 8.2 Hình cắt cấu trúc hình thể của máy đo lưu lượng kế (Home et al. 1969)
Cái mà kiểm soát tăng hay giảm trong khối lượng của mỗi thùng chứa tại những
khoảng thời gian định kì. Cung cấp trọng lực tiêu chuẩn của dung dịch được biết đến. Nó
có thể ước lượng tương đối chính xác tốc độ dòng chảy trong các ống cấp. Đây là một
công nghệ khác cái mà có thể được sử dụng với particulate suspensions.
Phương pháp đo gián tiếp tốc độ dòng chảy vô trùng là sử dụng bơm định lượng
cái mà bơm dung dịch xác định trước và với tỉ lệ chính xác. Một loạt các máy bơm định
lượng thương mại bao gồm bơm có động cơ, bơm nhu động (peristaltic pumps), máy
bơm piston, máy bơm màng. Máy bơm động cơ chỉ sử dụng khi lượng nhỏ dung dịch có
thể phải được thêm vào chậm vào vassel. Trong bơm màng, dung dịch di chuyển về phía
trước bằng cách siết chặt một ống được xây dựng tại một vỏ bọc hình bán nguyệt. Nhiều
kích thước của ống có thể được sử trong bơm khác nhau để tạo ra tốc độ dòng chảy được
biết đến khác nhau trong một phạm vi rất rộng. Tạm dừng có thể được xử lý khi dung
dịch tiếp xúc trực tiếp với bộ phận chuyển động. Bơm piston được gia công chính xác
bằng sứ hoặc thiếc không gỉ, piston di chuyển trong xy lanh bóng đôi đầu vào và van đầu
Page 12
Công nghệ Lên men
ra. Piston chạy với tốc độ không đổi. Tốc độ dòng chảy có thể thay đổi trong phạm vi xác
định bằng sự thay đổi hành trình piston, chiều dài của hành trình piston và cách sử dụng
nhiều piston khác nhau. Kích thước phù hợp từ cm
3
/h đến hang nghìn dm
3
/h và có thể
hoạt động với áp suất cao. Tuy nhiên chúng được sử dụng để bơm dung dịch có xơ hoặc
có hạt lơ lửng (particulate suspensions). Bơm piston đắt hơn so với máy bơm nhu động

có cùng kích thước nhưng nó không phụ thuộc vào sự làm việc của ống.
Hình 8.3: Điều khiển trực tiếp bơm Diaphragm (cơ hoành) (Home .et .al 1969 )
Sự rò rỉ có thể xảy ra theo đường vỏ bọc trục của trục piston. Vần đề này được loại
bỏ khi sử dụng máy bơm (màng) Diaphragm. Đây là loại bơm sử dụng linh hoạt cơ hoành
để bơm chất lỏng xuyên qua vỏ bảo vệ, với van bóng để điều khiển hướng của dòng chảy.
Cơ hoành có thể làm bằng nhiều chất ví dụ như nhựa không dính, cao su tổng hợp, thép
không gỉ và được khởi độnbằng piston. Phạm vi kích thước của bơm sẵn có để dùng lên
đến hàng nghìn dm
3
/h.
Lưu lượng dung dịch từ thùng chứa nguồn dinh dưỡng hay đến hay đi khi lên men
có thể được theo dõi bằng cân liên tục trong lượng hoặc tế bào tải (load cell) Điều này sẽ
được thảo luân trong weight section
2.4 Đo áp suất.
Page 13
Công nghệ Lên men
Đo áp suất là công việc quan trọng cái mà phải được làm khi khởi động nhiều dây
truyền sản xuất. Đo áp suất rất cần thiết bởi một số lý do, quan trọng nhất là để đảm bảo
an toàn. Trong quy mô công nghiệp và phòng thí nghiệm được thiết kế để đáp ứng với
tiêu chuẩn áp suất làm việc cộng với các yếu tố an toàn. Do đó nó quan trọng để trang bị
phù hơp với các thiết bị, cái sẽ cảm nhận, chỉ ra, ghi lại và điều khiển áp suất. Trong quá
trình tiệt trùng đo áp suất cũng quan trọng. Trong lên men, áp suất ảnh hưởng đến sự hòa
tan của khí và góp phần duy trì tiệt trùng khi áp suất dương luôn tồn tại.
Một trong những thiết bị cảm biến tiêu chuẩn để đo áp suất là ống đo áp suất
Bourdon (Hình 8.4). Cái mà được sử dụng đo trực tiếp. Cuộn một phần theo tiết diện hình
elip (A-A). Cái mà có xu hướng tròn cùng với tăng áp suất. Bởi vì sự khác nhau giữa bán
kính trong và ngoài dần dần được kéo thẳng ra ngoài. Quá trình này được kết nối với ổ
cắm cuối cố định của ống trong khi đầu của bên kia được nối bằng một khu vực hướng
hình quạt và chuyển động bánh răng mà thúcđẩy một con trỏ chỉ ra cho thấy phản ứng
quay tuyến tính. Khi thùng hoặc ống hoạt động dưới điều kiện vô trùng một thiết bị đo cơ

hoành có thể được sử dụng ( Hình 8.5). Thay đổi áp suất gây ra chuyển động cơ hoành.
Cái được theo dõi bởi máy cần gạt con trỏ.
Page 14
Công nghệ Lên men
Hình 8.5 Loại bơm cơ hoành được lồng vào nhau.
Ngoài ra áp lực có thể được đo lường từ xa bằng áp lực dưới đây kết nối với lõi
của một biến. Sự chuyển động của lõi sinh ra đầu ra tương ứng. Nó có khả năng sử dụng
thiết bị cảm ứng áp suất kết hợp chặt chẽ với sức căng thước đo. Nếu dây phụ thuộc vào
sức căng thì điển trở của dây thay đổi. Đó là một phần nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi
kích thước của dây và sự thay đổi trong điện trở suất. Điều này xảy ra do sự căng trong
dây. Đầu ra sau đó có thể được đo trên một khoảng cách dài.Một phương pháp điện là sử
dụng một bộ chuyển đổi áp điện. Một số tinh thể rắn như thạch anh có một phân bố điện
tích không đối xứng, bất kỳ sự thay đổi trong hình dạng của tinh thể tạo ra bằng nhau,
bên ngoài, không giống như các điện trên mặt đối diện của tinh thể.Đó là sự tác động của
điện áp. Do đó áp suất có thể đo bằng giá trị trung bình của điện áp gắn bề mặt đối diện
của tinh thể. Bioengineering AG (Wald, Switzerland) tạo ra bộ chuyển đổi điện áp nhiệt
độ đầu vào được bù lại. Để vượt qua hiệu ứng pyroelectric và xây dựng thành một vỏ bọc
có thể được đưa vào lên men. Sẽ cần thiết để theo dõi và ghi lại áp suất khí quyển nếu
nồng độ oxy đầu vào và / hay đầu ra khí được xác định sử dụng phân tích khí oxy (được
thấy phần sau). Phân tích khí thuận từ rất nhạy cảm với những thay đổi trong áp suất khí
quyển. Sự thay đổi của 1% áp suất có thể là nguyên nhân của sự thay đổi 1% nồng độ
oxy. Phạm vi lỗi có thể rất đáng kể trong thùng nơi tỉ lệ oxy tiêu thụ rất thấp. Và là nơi có
sự khác nhau rất ít thành phần khí giữa đầu vào và đầu ra. Sự thay đổi áp suất nên liên tục
theo dõi để cho phép điều chỉnh áp suất phù hợp.
Page 15
Công nghệ Lên men
2.5 Điều chỉnh áp suất
Mỗi phần của nhà máy thì làm việc với áp suất khác nhau. Trong suốt thời gian
vận hành bình thường áp suất tích cực 1.2 atm (161kN
-1

) luôn được duy trì trong quá
trình lên men để hỗ trợ duy trì điều kiện vô trùng. Rõ ràng áp suất sẽ được nâng lên trong
quá trình tiệt trùng bằng hơi nước (Chương 5). Áp lực chính xác trong các bộ phận khác
nhau nên được duy trì bằng van điều tiết (chương 7) điều khiển bằng cách kết hợp máy
đo áp suất.
2.6 Van an toàn
Van an toàn (chương 7) nên được kết hợp tại vị trí thích hợp trong tất cả thùng lên
men. Bố trí đường ống, cái mà có thể hoạt động được dưới áp lực. Các van phải được
thiết lập để giải phóng áp lực ngay sau khi nó làm tăng đáng kể trên áp suất làm việc quy
định.
2.7 Điện trục khuấy
Nhiều loại cảm biến có thể sử dụng để đo năng lượng tiêu thụ trong lên men.
Trong quy mô công nghiệp một mét watt gắn liền với động cơ khuấy sẽ cung cấp cho
một dấu hiệu khá tốt của sự hấp thu năng lượng. Đây là công nghệ đo mang lại sự chính
xác không cao, có sự giảm về quy mô đến quy mô thí điểm và cuối cùng đến phòng thí
nghiệm. Kết quả đo không chính xác có thể là do ma sát trong trục khuấy (chương 7).
Lực kế xoắn có thể được sử dụng trong quy mô nhỏ. Bởi vì lực kế được đặt bên ngoài
trục khuấy nên khi đó sẽ một lần nữa bao gồm sự ma sát trong các vòng bi. Vì lý do này
đồng hồ đo dòng gắn trên trục trong lên men là phương pháp chính xác nhất về đo lường
và vượt qua ma sát (Aiba et al., 1965; Broddgesell 1969. Aiba et al 1965) lắp bốn đồng
hồ đo dòng giống hệt nhau ở 45
o
đến trên trục trong một trục rỗng. Dây dẫn từ đồng hồ
đo vượt ra ngoài của trục thông qua cái lỗ trục và sau đó tín hiệu điện được chon bởi sự
Page 16
Công nghệ Lên men
lắp vành tiếp điện. Nghiên cứu lý thuyết của sự căng dây đo được tìm ra bởi Aiba et al
(1973).
2.8 Tốc độ khuấy
Trong tất cả quá trình lên men tốc độ khuấy rất quan trọng để theo dõi tỉ lệ quay

vòng (rpm) của trục máy khuấy. Tachometer(máy đo tốc độ vòng /phút) sử dụng cho mục
đích này có thể dùng cảm ứng điện từ nguồn phát điện, cảm biến ánh sáng hoặc lực lượng
từ tính như cơ chế phát hiện (Brodgesell, 1969). Kết quả cuối cùng của tachometer sẽ
được xác định bởi các loại tín hiệu, đó là cần thiết để ghi âm và/ hay quy trình kiểm soát
để điều chỉnh tốc độ động cơ và thiết bị phụ trợ khác. Sự cung cấp thường được thực
hiện trên các chất gây men trong phòng thí nghiệm nhỏ để thay đổi tốc độ khuấy. Trong
nhiều trường hợp hiện nay điều đó là tiêu chuẩn thực hành sử dụng một động cơ trượt có
một đường cong mô-men xoắn có thể chấp nhận cái mà kết hợp với một điều khiển
thyristor. Ở thí điểm hoặc trên quy mô lớn điều cần thiết để thay đổi tốc độ khuấy là
thường được giảm. Khi cần thiết nó có thể được thực hiện bằng hộp số, sửa đổi kích
thước của bánh xe hoặc vành đai hay thay đổi động cơ chạy thay thế đắt tiền nhất.
2.9 Điều khiển và cảm biến bọt
Sự tạo bọt là một điều khó khăn trong nhiều quá trình lên men của vi sinh vật nếu
không được kiểm soát chặt chẽ. Thực tế thông thường một chất phá bọt được thêm vào
khi bình nuôi cấy bắt đầu sủi bọt với mức độ nhất định được xác định trước. Các phương
pháp sử dụng cho việc kiểm soát và việc bổ sung chất phá bọt sẽ phụ thuộc vào quá trình
lên men và vấn đề kinh tế. Tính chất của chất phá bọt (antifoam) sẽ được tìm hiểu thêm
(chương 4,7) vì ảnh hưởng của nó đến lượng oxi hòa tan (chương 9). Bộ cảm biến bọt
(foam sensing) và điều khiển được minh họa ở hình 8.6. Một bộ phận thăm dò đưa vào
thông qua vách trên cùng của bình lên men. Thường thì đầu dò là một thanh thép không
gỉ được cách ly ngoại trừ đầu nhọn tiếp xúc và được thiết kế đặt trên miệng bình lên men.
Khi lượng bọt tăng lên và chạm vào đầu dò, một dòng điện sẽ chạy qua mạch của đầu dò
Page 17
Công nghệ Lên men
và bọt sẽ hoạt động như một chất điện phân. Khi đó van được mở ra và bơm bắt đầu hoạt
động đưa chất phá bọt vào trong bình lên men trong vòng vài giây. Quá trình tính giờ xảy
ra đều đặn trong hệ thống đảm bảo rằng chất phá bọt đủ thời gian để trộn đều trong dịch
nuôi cấy và phá vỡ bọt trước khi được đầu dò được lập trình sau một khoảng thời gian
nhất định để cảm biến bọt lần nữa nhờ việc khởi động một cách hợp lý bơm hoặc van
điều khiển. Nói cách khác chất phá bọt được thêm từ từ với tốc độ định trước bởi một

máy bơm nhỏ để không bao giờ xảy ra hiện tượng nổi bọt do đó không cần thiết phải có
hệ thống cảm biến.
Một số thiết bị chống tạo bọt khí được mô tả bao gồm đĩa cánh quạt, bàn chải
hoặc hình nón gắn liền với trục khuấy trên bề mặt môi trường lỏng, bọt được chia nhỏ khi
chúng chuyển động chạm vào thành bình nuôi cấy. Các thiết bị sản xuất khác cũng đã
được sản xuất bao gồm một trục quay theo phương ngang tách ly tâm và cánh phản lực
làm lệch hướng các bọt khí (Hall cùng các cộng sự1973,Viesturs cùng các cộng sự,
1982). Tiếc rằng các thiết bị này phải được sử dụng kết hợp với chất phá bọt.
Hình 8.6: Bộ phận điều khiển và cảm ứng bọt
2.10 Khối lượng
Page 18
Công nghệ Lên men
Một cảm biến đo áp lực loadcell là ( hay còn gọi là cảm biến tải trọng load cell là
một thiết bị điện tử được lắp dưới sàn cân để hấp thụ sức nặng của hàng hóa,biến số liệu
thành tín hiệu điện để chuyển đến đầu hiển thị cân nặng của vật.) công cụ cung cấp
phương pháp xác định trọng lượng của bình lên men bằng cách đặt các load cell chịu tải
dưới các thiết bị chịu tải hỗ trợ khi thiết kế hệ thống hỗ trợ cho một bình lên men.
Nguyên tắc của của một tế bào tải nén( load cell) là 3 chân đế trong trạng thái tự do cân
bằng ổn định mặc dù bề mặt của bộ phận hỗ trợ là không đều. Nếu thêm chân đế phải
trang bị phương tiện điều chỉnh để đảm bảo chịu tải trên tất cả các chân đế. Một load cell
về cơ bản là một thể đàn hồi, thường là một hình trụ thép vững chắc hoặc hình ống; áp
lực nén bên trong đó theo tải trọng trục có thể được đo bằng đồng hồ điện đo dòng kháng
được gắn vào bề mặt của hình trụ. Thiết bị load cell được lắp ráp phù hợp với các điểm
kết nối cáp điện, thiết bị này được hiệu chỉnh bằng cách đo dòng nén trên phạm vi thích
hợp của tải. Thay đổi của dòng kháng cùng với áp lực gây ra tỷ lệ thuận với tải được xác
định bằng một thiết bị điện phù hợp. Do đó có thể sử dụng load cell với kích thước phù
hợp để tính toán lượng chất đưa vào bình lên men chẳng hạn như sử dụng axit, base hoặc
các chất phá bọt để kiểm soát lượng bọt. Sự thay đổi trọng lượng trong một khoảng thời
gian có thể được sử dụng như một phương pháp gián tiếp để tính toán lưu lượng chất
lỏng.

2.11 Sinh khối vi sinh vật
Thời gian ước tính lượng sinh khối của vi sinh vật trong quá trình lên men là một
yêu cầu thiết thực nhưng điều này được chứng minh là rất khó khăn để phát hiện bởi một
cảm biến đạt yêu cầu. Hầu hết các khảo sát được thực hiện gián tiếp thông qua trọng
lượng chất khô (được đo nhanh trong lò vi sóng ), mật độ tế bào (bằng máy quang phổ),
số lượng tế bào (đo bằng buồng đếm Coulter) hoặc bằng cách sử dụng các bộ phận cảm
biến sẽ được thảo luận sau trong chương này. Phương pháp thay thế khác là ước lượng
thời gian một thành phần di động mà vẫn còn ở nồng độ liên tục như nicotinamide
adenine dinucleotide (NAD) trong tế bào bởi một huỳnh quang phổ fluorimetry hoặc đo
Page 19
Công nghệ Lên men
lường một thuộc tính của tế bào mà chúng tỷ lệ với nồng độ tế bào sống chẳng hạn như
đo tần số vô tuyến điện dung.
Các phép đo bởi fluorimetric rất cụ thể và nhanh chóng nhưng việc dụng chúng
trong nghiên cứu lên men vẫn còn giới hạn. Việc đo lường NAD miễn là nó vẫn còn ở
nồng độ không đổi trong tế bào có thể là một phương pháp gián tiếp lý tưởng để đo sự
tăng trưởng liên tục của sinh khối vi khuẩn. Trong các nghiên cứu đầu tiên, Harrison và
Chance (1970) sử dụng kỹ thuật huỳnh quang để xác định mức độ NAD-NAPH bên trong
tế bào vi khuẩn trong quá trình nuôi cấy liên tục. Einsele cùng cộng sự (1978) đã gắn một
fluorimeter(thiết bị đo huỳnh quang) trên một bộ phận quan sát trong bình lên men nằm
bên dưới bề mặt nuôi cấy, trong đó cho phép NADH tiếp xúc với huỳnh quang tại chỗ với
thời gian lâu hơn trong môi trường nuôi cấy và tuân theo sự hấp thu glucose bằng cách
theo dõi NADH. Beyeler cùng cộng sự (1981) đã phát triển một đầu dò sterilizable nhỏ
để lắp vào bình lên men theo dõi NADH. Trong đó có độ đặc hiệu,độ nhạy, độ ổn định
caovà có thể hiệu chỉnh ngay tại chỗ. Trong nuôi cấy mẻ của Candida tropicalis
NAD(P)H phụ thuộc vào tín hiệu hùynh quang tương quan với lượng sinh khối. Do đó có
thể sử dụng trực tuyến để ước tính lượng sinh khối, những thay đổi trong điều kiện phát
triển như lượng chất dinh dưỡng cạn kiệt hoặc thiếu dưỡng khí cũng được phát hiện
nhanh chóng.
Schneckenburger cùng cộng sự (1985) sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu sự

phát triển của vi khuẩn methanogenic trong quá trình lên men kị khí. Họ nghĩ rằng chi
phí là một vấn đề vì thiết bị huỳnh quang là rất đắt đối với các ứng dụng công nghệ sinh
học, thông thường giá tối thiểu là 10000US. Ingold (Thủy Sĩ) đã phát triển đầu dò
Fluorosensor được tích hợp với một máy tính nhỏ hoặc bất kì thiết bị chuyển đổi dữ liệu
nào (Gary, Meier and Ludwig, 1988).
Điện môi quang phổ có thể được sử dụng trực tuyến để theo dõi sinh khối, chi tiết
về lý thuyết và nguyên tắc của kỹ thuật này được mô tả bởi Kell ( 1987). Ở tần số âm
thanh thấp (0.1 đến 1 MHz) một màng tế bào vi khuẩn sẽ hoạt động như một tụ điện và
Page 20
Công nghệ Lên men
trở nên tích điện gọi là hiệu ứng phân tán β (Schwan,1957) và phân biệt được nó với các
bong bóng khí và các hạt vật chất không tan trong dung dịch. Kích thước của các phân
tán β tỷ lệ tuyến tính với màng tế bào vi sinh vật. Kell cùng cộng sự (1987) cho biết rằng
điện môi tỷ lệ tuyến tính với nồng độ sinh khối vi sinh vật đơn bào và ngay cả đối với
dạng hình thái tế bào đặc biệt như nấm sợi. Điện môi được chứng minh là tỷ lệ tuyến tính
với sinh khối vi sinh vật và được dùng để đo lượng sinh khối của một số loài vi khuẩn,
nấm men, nấm mốc,hoặc lượng tế bào động thực vật.
Đầu dò sterilizable có thể được chèn trực tiếp vào bình lên men sử dụng một điện
cực có đường kính 25mm. Sự nhiễm bẩn của các điện cực khảo sát có thể tránh bằng các
ứng dụng tự động làm sạch của xung điện cảm biến (‘Bug meter’) được sản xuất bởi
Aber.
Điện cực được thương mại hóa bởi Applikon (Schiiedam, the Netherlands) và giới
hạn điện dung của dụng cụ là từ 0.1 đến 200pF(picoFarads) với trọng lượng khô xấp xỉ
0.1 đến 200mg/cm
3
(xấp xỉ 10
6
đến 2.10
9
tế bào/cm

3
nấm men Saccharomyces
cerivisiae.Độ phân giải phụ thuộc vào các loại tế bào khác nhau và độ dẫn điện của môi
trường nuôi cấy nhưng thông thường là 0.1 mg/cm
3
. Để cảm biến làm việc có hiệu quả
các bộ phận làm ngưng hoạt động của thiết bị phải có độ dẫn điện tối thiểu. Nấm men sau
khi pha loãng được đưa qua axit là đạt được yêu cầu nhưng trước khi tiến hành có thể cần
thêm muối để dụng cụ có thể đo đạc. Cảm biến này đã được chứng minh là lý tưởng cho
các tế bào nấm men và hiện đang được các nhà máy sản xuất bia ứng dụng để kiểm soát
lượng nấm men có trong môi trường nuôi cấy.
2.12 Đo đạc và kiểm soát lượng oxi hòa tan
Trong quá trình lên men hiếu khí điều cần thiết là phải rằng nồng độ oxi hòa tan
không giảm xuống mức quy định. Từ những năm 1970 điện cực oxi sterilizable đã được
sử dụng để theo dõi điều này (hình 8.7).
Page 21
Công nghệ Lên men
Hình 8.7: Cấu tạo của điện cực oxy hòa tan: (a) galvanic (b) polarographic ( Lee
and Tsao, 1979)
Chi tiết của điện cực này được đưa ra bởi Lee và Tsao (1979). Các điện cực đo áp
suất riêng phần của oxi hòa tan và lượng oxi không hòa tan. Do đó ở trạng thái nồng độ
cân bằng tín hiệu thăm dò của một điện cực sẽ được xác định bằng:
P(O
2
) = C(O
2
) × P
T
Trong đó: P(O
2

) là áp suất riêng phần của oxi được đầu dò ghi lại
C(O
2
) là thể tích hay phần số mol oxi trong pha khí
P
T
là áp suất toàn phần
Trong thực tế người ta thường đọc áp suất riêng phần của oxi dưới dạng tỉ lệ phần
trăm bão hòa với không khí ở áp suất khí quyển. Do đó 10% oxi hòa tan có nghĩa là áp
suất riêng phần của oxi vào khoảng 160mmHg. Sự thay đổi áp suất dẫn đến sự thay đổi
đáng kể giá trị điện cực. Nếu áp suất toàn phần giữ cân bằng với sự thay đổi thành phần
của môi trường nuôi cấy thì giá trị điện cực sẽ thay đổi ngay cả khi không thay đổi thành
phần khí. Sự thay đổi áp suất không khí có thể gây ra sự thay đổi 5% giá trị điện cực và
áp lực phản lại do các bộ phận lọc gây ra cũng có thể làm tăng giá trị trong khi đọc, sự
hạn định cho phép cũng được thực hiện cho nhiệt độ. Giá trị điện cực tăng 2.5% trong
Page 22
Công nghệ Lên men
1
0
C cho áp suất của oxi; hiệu ứng này là nguyên nhân chủ yếu làm tăng tính thẩm thấu
của màng các điện cực. Nhiều điện cực chế tạo có bộ phận cảm biến nhiệt cho phép bù lại
tự động của tín hiệu đầu ra. Điều quan trọng cần phải nhớ rằng sự hòa tan của oxi bị ảnh
hưởng bởi các thành phần khác trong môi trường nuôi cấy. Vì thế nước ở nhiệt độ 25
0
C
với áp suất bão hòa không khí 760 mmHg sẽ chứa 8.4mgO
2
/m
3
; trong khi với dung dịch

NaCl 25% ở cùng điều kiện sẽ chứa 2.0mgO
2
/m
3
. Tuy nhiên các kết quả đo áp suất riêng
phần cho oxi sẽ rất khác nhau. Do đó cách tốt nhất là hiệu chỉnh các điện cực trong tỉ lệ
phần trăm độ bão hòa của oxi. Các chi tiết về các điện cực oxi và hiệu chỉnh của nó được
đưa ra bởi Halling (1990).
Trong trường hợp thể tích lên men nhỏ (1dm
3
) các điện cực phổ biến nhất là
galvanic với anot làm bằng chì, catot là bạc; sử dụng Kali hydroxit (KOH), bicarbonate
(HCO
3
-
), clorua (Cl
-
) hoặc axetat (CH
3
COO
-
) như một chất điện phân. Đầu cảm biến của
điện cực là một màng teflon, polyetylen hoặc polystiren cho phép thông qua các pha khí
để trạng thái cân bằng được thiết lập giữa các pha khí bên trong và bên ngoài điện của
điện cực. Vì sự chuyển động tương đối chậm của oxi qua màng điện cực cứ 60 giây mới
đọc được 90% của giá trị thực cuối cùng (Johnson cùng các cộng sự 1964). Buhler và
Ingold (1976) đưa ra là 50 giây đọc được 98% giá trị thực của điện cực được cải tiến sau
này. Các điện cực được thiết kế phù hợp để theo dõi những thay đổi rất nhỏ của nồng độ
oxi và thường được lưạ chọn với kích thước nhỏ gọn và chi phí tương đối thấp. Một điều
không may là điện cực rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ vì thế được khắc phục bằng

cách sử dụng một điện trở nhiệt. Các điện cực có tuổi thọ ngắn do sự ăn mòn anot.
Điện cực Palarographic cồng kềnh hơn điện cực galvanic, được sử dụng thử
nghiệm và trong sản xuất của công nghệ lên men; thường sử dụng nhiều đường kính như
12,19 hoặc một loại có thể tháo ra được với đường kính là 25mm. Chúng có anot làm
bằng bạc, catot bằng vàng hoặc bạch kim còn dung dịch KCl là chất điện phân. Thời gian
phản hồi từ 0.05 đến 15 giây để đọc được 95% giá trị thực theo báo cáo của Lee và Tsao
1979. Điện cực có thể đo kết quả chính xác nếu chịu được áp suất và nhiệt độ cao, điện
cực Palarographic có giá nhiều hơn 600% so với điện cực galvanic, chi phí bảo trì thấp
Page 23
Công nghệ Lên men
nhưng chỉ có màng cần phải thay thế nên vẫn có giá trị đáng kể. Toàn bộ giai đoạn của
cảm biến oxi sterilizable nhanh hiện nay vẫn đang được phát triển (Bambot cùng cộng sự
1994).
Cảm biến huỳnh quang với nhóm mang màu phức tạp chromo-phero, tris(4,7-
diphenyl-1,10phenanthroline)rutheni-um(II) thỏa mãn áp suất riêng phần của oxi. Quá
trình phức tạp này được làm tắt bởi các phân tử oxi dẫn đến sự giảm tuổi thọ của huỳnh
quang. Vì thế có một mối liên hệ giữa tuổi thọ huỳnh quang với áp suất riêng phần của
oxi. Tuy nhiên ở nhiệt độ phòng khi một điện cực oxi Clark-type cho thấy một hiệu
chuẩn tuyến tính của bộ phận cảm biến quang học cho một phản hồi là đường hyperbolic.
Độ nhạy của cảm biến quang học cao hơn đáng kể so với điện cực oxi, khi áp suất của
oxi thấp và ngược lại cao khi áp lực oxi cao. Các phép đo sẽ đáng tin cậy khi nhiệt độ của
oxi thấp duy trì ổn định trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật. Nồng độ oxi hòa tan có thể
được xác định bằng phương pháp hệ thống ống được mô tả bởi Phillip, Johnson (1961) và
Robberts,Shepherd (1968). Đầu dò bao gồm một cuộn dây tráng teflon hoặc propylen vào
trong bình lên men thông qua một dòng heli hoặc nitơ, đường đi của oxi khuyết tán từ
môi trường lên men thông qua thành ống vào trong dòng khí trơ sau đó được xác định
bằng phân tích khí thuận (xem ở phần sau); ống sẽ được khử trùng lặp đi lặp lại và được
sử dụng liên tục đến 1000h trên quy mô thử nghiệm. Nếu như đó là cần thiết để làm tăng
nồng độ oxi hòa tan trong môi trường có thể đạt được bằng cách tăng tỉ lệ lưu lượng
không khí hoặc số vòng quay trong một phút của cánh quạt hoặc là kết hợp cả hai quá

trình để tăng tỉ lệ O
2
/N
2
trong các khí đầu vào, sử dụng một van biến đổi theo tỉ lệ cân đối
trong khi duy trì tốc độ dòng khí liên tục (Siegall và Gagen, 1962). Do chi phí của kỹ
thuật này nên được sử dụng hạn chế ở phòng thí nghiệm và các nhà máy thử nghiệm.
2.13 Đầu vào và phân tích đầu ra (Iulet and exit analysis)
Đo lường và ghi nhận giá trị của đầu vào và hoặc thành phần khí thoát ra là việc
rất quan trọng trong nhiều nghiên cứu của quá trình lên men. Bằng cách đo nồng độ khí
O
2
, CO
2
đi vào, các loại khí thoát ra và tốc độ dòng khí đốt từ đó có thể xác định sự hấp
Page 24
Công nghệ Lên men
thu O
2
trong hệ thống. Sự thay đổi tốc độ của dòng khí CO
2
tỷ lệ thuận nồng độ O
2
. Khi
vật thể dao động ra khỏi từ trường một lực tĩnh điện được áp dụng để điều chỉnh quả tạ
về phía ban đầu, chỉ số của lực tĩnh điện có thể được sử dụng như một thước đo nồng độ
oxi. Trong phân tích nhiệt một dòng chảy theo vòng là thành phần của đầu dò, sau khi đi
qua vòng hàm lượng oxi thuận từ trong các mẫu sẽ được hút bởi từ trường vào ống kính
trung tâm nơi mà điện tử sẽ đun nóng dòng khí. Điện trở được nối với một mạch cầu
Wheatstone (dụng cụ đo điện trở) để xác định biến thế trong điện trở do sự thay đổi tốc

độ dòng chảy gây ra. Lượng oxi trong mẫu nóng mất một tỷ lệ cao do tính chất thuận từ
của nó, dòng khí oxi lạnh được hút vào thay cho dòng khí oxi nóng. Sự thay đổi này tạo
ra một dòng đối lưu, tốc độ dòng chảy của dòng đối lưu là một hàm số của nồng độ oxi
và được đo bằng điện trở. Kết quả là dòng khí lạnh được thổi vào qua vị trí A và dòng khí
nóng thì đi quanh qua vị trí B. Do sự khác biệt về nhiệt độ dẫn đến sự mất cân bằng cầu
Wheatstone.
Hình 8.8:Phân tích oxy kiểu thuận từ
Page 25