CHƯƠNG 4 Phương thứchoạt động và thiết kế thiết bị lên men thiết kế thiết bị lên men

Chương 4
Phương thức hoạt động và
thiết kế thiết bị lên men


4.1 Lên men theo mẻ
(Batch Fermentation)
- Lên men trong bồn chứa hoặc hệ thống kín chứa tất cả các
chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình lên men


- Đặc
Đặ điểm
điể của
ủ lên
lê men theo
th mẻẻ
 Hệ thống kín
 Bồn
Bồ lên
lê men và
à hệ thống
thố vô
ô trùng
t ù
 Hệ thống, thiết bị lên men đơn giản nhất
 Tất cả chất dinh dưỡng được cho vào lúc bắt đầu qt lên men

- Thời điểm kết thúc quá trình lên men
 VSVngừng phát triển (chất dinh dưỡng cạn kiệt, tích lũy chất độc)
 Sau một thời gian lên men xác định trước

 Đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn


- Sơ đồ hệ thống lên men theo mẻ


- Đường cong sinh trưởng của VSV


- Đường tạo sp sơ cấp (liên kết với sự phát triển)


- Đường tạo sp thứ cấp (không liên kết với sự phát triển)


-Trophophase: pha sinh trưởng chủ động tạo ra sản phẩm sơ cấp
- Idiophase: pha sinh trưởng ổn định tạo ra sản phẩm thứ cấp

Biomass

Substrate


- Động học quá trình lên men sx penicillin


- Các thông số quá trình lên men theo mẻ
dx/dt = .x

x: biomass concentration (g/L)

x = Y(S0 – S)

Y: yield factor (g biomass produced
g-1 substrate consumed)

 = maxS/(KS + S)

S0: initial substrate concentration (g/L)

: specific
p
growth
g
rate (h
( -1)

S: residual substrate concentration (g/L)

dp/dt = qp.x

KS: substrate utilization constant
p: product concentration (g/L)

d /d = Yp/x
dp/dx

qp: specific rate of product formation (g
product g-1 biomass h-1)

qp = Yp/x.

Yp/x: yield of product in terms of biomass
(g product g-1 biomass)


- Ưu
Ư điểm
điể
 Thiết lập đơn giản, dễ sử dụng
 Sản
Sả xuất
ất sản
ả phẩm
hẩ thứ cấp
ấ (pha
( h ổn
ổ định)
đị h)
 Ít khả năng bị nhiễm

- Nhược điểm
 Khác biệt theo mẻ
 Mẻ cấy bị già hóa ảnh hưởng đến sự tạo thành sp sơ cấp
 Sản sinh chất độc ức chế sự phát triển của vsv và tạo thành sp
 Sự thoái hóa (degeneration) giống, tự phân (autolysis) của tế bào


4.2 Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất
(Fed-batch Fermentation)

- Đặc
Đặ điểm
điể của
ủ lên
lê men theo
th mẻẻ cóó bổ sung cơ chất
hất
 Lên men theo mẻ
 Không
Khô phải
hải hệ thống
thố kín
kí
 Bổ sung cơ chất hoặc inducer vào hệ thống vào một thời diểm xđ
 VSV phát triển ở tốc độ sinh trưởng mong muốn
 Giảm thiểu sự tạo thành sản phẩm không mong muốn (waste)
 Thu nhận
ậ nồng
g độ
ộ tế bào ((sinh khối)) và sản p
phẩm cao


- Sơ đồ hệ thống lên men có bổ sung cơ chất


- Các dạng lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất
 Fixed volume fed-batch fermentation: bổ sung cơ chất không làm

thay
y đổi thể tích môi trường
g bằng
g cách
• Thêm vào dung dịch cô đặc bù vào lượng tổn thất do bay hơi
hoặc bổ sung chất khí
• Rút ra một lượng môi trường cũ và bổ sung bằng một lượng môi
trường mới  Làm giảm nồng độ sản phẩm hoặc chất ức chế
 Variable fed-batch fermentation: bổ sung cơ chất làm thay đổi thể
tích môi trường,
g, vsv tiếp
p tục
ụ p
phát triển với tỷ
ỷ lệệ sinh trưởng
g tối đa dẫn
đến nồng độ vsv (sinh khối) cao
 Lưu ý những tính toán động học của quá trình có liên quan đến sự
thay đổi thể tích


- Các cách thức bổ sung cơ chất (feeding strategies)


- Ưu nhược điểm của các cách thức bổ sung


- Bổ sung cơ chất không có điều khiển phản hồi: dựa vào dữ liệu của
những mẻ trước, cần ít sự can thiệp vào vận hành bổ sung cơ chất,
giảm nguy cơ bị nhiễm

ễ trong quá trình lên men


- Bổ sung cơ chất có điều khiển phản hồi


- Các thông số quá trình lên men theo mẻ bổ sung
dx/dt = x

x: biomass concentration (g/L)

x = Y(S0 – S)

Y: yield factor (g biomass per g substrate)

: specific
p
growth
g
rate (h
( -1)

S0: initial substrate concentration (g/L)

FSF = X/Y

S: residual substrate concentration (g/L)
F: feed flow rate (L.h-1)
SF: substrate concentration in the feed
(g/L)

- Ưu điểm
 Ngăn ngừa sự ức chế do nồng độ cơ chất cao và catabolite repression
 Điều khiển được tốc độ sinh trưởng và nhu cầu (oxygen) của vsv,
giảm thiểu sự tạo thành sp không mong muốn
 Thu được mậtđộ tế bào cao gấp nhiều lần so với lên men theo mẻ
không bổ sung cơ chất
 Tăng sự tạo thành sp lên men thứ cấp, giảm độ nhớt tạo điều kiện
cho sự thông khí và khuấy
ấ trộn


- Nhược điểm
 Đòi hỏi hiểu biết về sự phát triển của vi sinh vật và sự tạo thành sản
phẩm
 Nếu thiếu sự kiểm soát có phản hồi dẫn đến những biến động không
kiểm soát được trong quá trình
 Người điều khiển quá trình phải được đào tạo và có kỹ năng cao


4.3 Lên men liên tục
(Continuous Fermentation)


- Đặc
Đặ điểm
điể của
ủ lên
lê men liên

liê tục
t
 Hệ thống mở
 Qui
Q i mô
ô công
ô nghiệp,
hiệ ít dùng
dù ở quy mô
ô phòng
hò thí nghiệm
hiệ
 Kéo dài pha cấp số, hoạt động ở trạng thái ổn định (steady state)
 Môi trường mới được bổ sung và môi trường cũ được thoát ra với
tốc độ bằng nhau
 Các thông
g số q
quá trình ((thể tích môi trường,
g, số lượng
ợ g vsv hoặc
ặ sinh
khối, nồng độ cơ chất và sản phẩm, pH, nhiệt độ, oxy hòa tan,…) được
duy trì không đổi trong suốt quá trình


- Sơ đồ hệ thống lên men liên tục