YẾU TỐ CẤU THÀNH QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC

CHƢƠNG 2: YẾU TỐ CẤU THÀNH QUÁ TRÌNH CÔNG
NGHỆ SINH HỌC


Chuẩn bị môi trường
Khử trùng môi
trường
Nhân giống

Lên men

Sản phẩm

Tinh sạch
Hình. Sơ đồ quá trình CNSH

2


Dinh dưỡng
và môi
trường nuôi
cấy

Đại diện sinh
học

Thiết bị

Sản phẩm
Quá trình

CNSH

Hình. Thành phần cấu thành của quá trình CNSH

3


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp

4


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
a) Bình lên men
2 loại áo nước và áo gia nhiệt với cửa sổ quan sát mẫu bên
trong.

5


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
b) Hệ thống điều khiển quá trình:
Cho phép điều khiển được các bình lên men cùng lúc gồm
một bình chính và bình lắp thêm.
Các thông số quá tình lên men được hiển thị qua màn hình
cảm ứng màu.
Cổng USB kết nối để nâng cấp phần mềm hoặc kết nối
Internet.

6


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
c) Điều khiển nhiệt độ:
Hiển thị nhiệt độ quá trình lên men với độ phân giải 0.1 oC
Dải nhiệt độ: Từ 10 oC trên nhiệt độ làm lạnh đến 65 oC
Điều khiển gia nhiệt hay làm lạnh bằng kỹ thuật số.
Gia nhiệt bằng áo gia nhiệt hoặc áo nước.
Làm lạnh bằng ruột gà làm lạnh hoặc ống dẫn nước lạnh
tuần hoàn.
Đầu cảm biến nhiệt

7


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
d) Điều khiển khuấy:
Khuấy trực tiếp hoặc bằng cảm ứng từ.
Hiển thị tốc độ khuấy với độ phân giải 1 vòng/phút.
Tốc độ khuấy: Từ 50 - 1200 vòng/phút đối với khuấy trực
tiếp.
Các loại cánh khuấy dùng được: Cánh khuấy lên men,
cánh khuấy cho nuôi cấy tế bào, cánh khuấy Spin.
Bộ chia dòng khuấy.

8

2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
f) Chế độ sục khí:
Sục khí: Qua vòng sục khí tiêu chuẩn
* Điều khiển khí với chế độ: 0 - 150 ml/phút, 250 - 2500
ml/phút, 1L - 5L/phút, 1L - 20L/phút
* Bộ điều khiển dòng khí
* Bộ phận điều khiển khí nuôi cấy: Điều khiển tự động 4
loại khí qua các van từ hoặc điều khiển tay qua các nhánh
dẫn khí.
Bộ phận lọc khí vào vô trùng qua màng lọc 0.2 um
Đường khí N2 để hiệu chỉnh đầu dò Oxi hòa tan

9


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
g) Điều khiển PH
Dải hiển thị: 2 - 14pH
Điều khiển pH: Bằng kỹ thuật số kết nối với bơm và khí,
điều chỉnh được giải tới hạn.
Đầu dò pH tiêu chuẩn.

10


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp

2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
h) Điều khiển DO
Dải hiển thị: 0 - 200%
Điều khiển DO: Bằng kỹ thuật số liên kết với chế độ khuấy.
Đầu dò DO tiêu chuẩn Polargraphic.

11


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
i) Khí thải:
Phin lọc khí thải vô trùng với kích thước 0.2 um
Bộ ngưng tụ nước cho khí thải làm bằng thép không gỉ.

12


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.1. Cấu tạo thiết bị lên men
k) Hệ thống bơm:
3 bơm cho phép điều khiển tốc độ bơm đến 12 vòng/phút.
Điều khiển bơm qua bộ điều khiển trung tâm với khả năng
điều khiển từ 0 - 100% công suất bơm.

13


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.2. Phƣơng pháp lên men

a) Dựa vào cách nạp liệu và thu hồi bán thành phẩm sau lên
men
Lên men gián đoạn thực hiện theo từng mẻ nên thường có
năng suất thấp và chu kì sản xuất bị kéo dài.

Lên men liên tục thì ngược lại, nguyên liệu liên tục vào và
sản phẩm sau lên men liên tục đi ra.
Lên men bán liên tục là hình thức kết hợp giữa hai phương
pháp trên.

14


2.4. Thiết bị lên men công nghiệp
2.4.2. Phƣơng pháp lên men
b) Dựa vào thành phần đồng nhất hay không đồng nhất của canh
trường
• Lên men bề mặt, vi sinh vật phát triển trên bề mặt của môi
trường nuôi cấy và lấy không khí từ mặt thoáng của môi trường.
Phương pháp này thường sử dụng để sản xuất axit citric và một
số enzyme. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là tốn
kém bề mặt. Tuy nhiên, do đầu tư ít nên chừng mực nào đó vẫn
được sử dụng.
• Lên men bán rắn là phương pháp trung gian giữa lên men
bề mặt và bề sâu. Hàm lượng nước trong môi trường chiếm
khoảng 70% chất khô. Một số enzyme hiện nay được sản xuất
theo phương pháp này. Người ta cải tiến phương pháp này
bằng thiết bị thùng quay nhằm cung cấp đủ oxy cho quá trình
lên men và thực hiện luôn khâu sấy khô sau lên men. Điều khó
khăn là do sự truyền nhiệt kém của các chất độn nên khó thực

hiện tốt khâu thanh trùng.
• Lên men chìm là phương pháp được sử dụng nhiều nhất.
Nó có thể cho phép kiểm soát được toàn bộ quá trình lên men
một cách thuận lợi, ít tốn kém mặt bằng. Do hệ thống khuấy trộn
tốt nên toàn bộ môi trường nuôi cấy là một hệ thống nhất.
15


3.1. Polysaccharides

-

-

3.1.1. Dextran
a) Khái niệm chung
Dextran là polymer sinh học, có tính nhớt nội tại, dễ tan
trong nước, methylsulfide, là dung dịch điện ly bền, pH
không ảnh hưởng đến độ tan của dextran.
Chuỗi mạch thẳng gồm các phân tử glucose liên kết ở vị trí
 -1,6 glucoside, mạch nhánh ở vị trí  -1,3 glucoside.


3.1. Polysaccharides
3.1.1. Dextran
b) Cơ sở lý thuyết
(1,6 α D glucosyl)n + saccharose (1,6 α D glucosyl)n+1 +
fructose

3.1. Polysaccharides
3.1.1. Dextran
c) Quy trình công nghệ sản xuất
Chuẩn bị giống và môi trường lên men
Vi sinh vật: Leuconostoc mensenteroids
1
2

3
4

5

• Vi khuẩn G (+), không di chuyển
• Enzyme catalase (-), kháng vancomycin

• Có bao nhày chứa dextran
• t: 5-30 oC, opt 25-30 oC, chịu được pH rất thấp do
sinh ra acid lactic
• Kỵ khí không bắt buộc


3.1. Polysaccharides
3.1.1. Dextran
c) Quy trình công nghệ sản xuất
Chuẩn bị giống và môi trường lên men
Môi trường lên men

• Hòa tan đường
vào nước cất để

dung dịch có nồng
độ 15 %

Hòa tan đường

Bổ sung nguồn
dinh dưỡng khác
• Chất chiết nấm
men
• Peptone
• Muối khoáng và
vitamin


3.1. Polysaccharides
3.1.1. Dextran
c) Quy trình công nghệ sản xuất
Kỹ thuật lên men
Thông số quá trình

Giá trị

Sản phẩm

Vi sinh vật

Leuconostac
mesenteroides

-

Thành phần môi
trường nuôi cấy

Sucrose (10-30%),
dextran “mồi, chiết
xuất nấm men, muối
khoáng

2 loại dextran: 6080.000 Da, 20-30.000
Dan

pH môi trường nuôi
cấy

6,7

-

Nhiệt độ nuôi cấy

20-30 C

-

Chế độ thông khí

0,5 l/phút khi nạp môi
trường

-

Thời gian nuôi cấy

18-20 h

-

20


3.1. Polysaccharides
3.1.1. Dextran
c) Quy trình công nghệ sản xuất
Thu nhận sản phẩm
Kết tủa lần 1 (bổ sung ethanol lạnh, 1:5)

Ly tâm, lọc, rửa 1 (loại bỏ tạp chất)
Hòa tan (100g/200 ml nước)
Ly tâm, lọc rửa 2

Hòa tan (100g/100ml nước)
Sấy phun
Dextran
21


3.1. Polysaccharides
3.1.1. Dextran
e) Ứng dụng

• Chất
làm đặc

• Sephad
ex: sắc
ký cột
• Sơn

Thực
phẩm

Mỹ
phẩm

Công
nghệ

Y học

• Kem
đánh
răng,
dầu gội

• Chất
thay thế
huyết
tương
22

3.3. Polyhydroxyalkanoates
3.3.1. Khái niệm chung
Polyhydroxyalkanoates: là dẫn xuất chứa oxy của acid
béo, được tổng hợp bởi vi sinh vật, trong điều kiện sinh
trưởng mất cân bằng, dư thừa Carbon và năng lượng nhưng
thiếu khoáng chất (N, S, PO43-), và O2.
Phổ biến nhất: Polyoxybutirate - polymer β-hydroxybutyric
acid.
Ngoài ra: hydroxybutyrate, copolyme oxyvalerate,
hydroxybutyrate và oxy-hexanoate, polyhydroxybutyrate và
polioxyheptanoate

23


3.3. Polyhydroxyalkanoates
Bảng. So sánh tính chất
Polyoxybutirate (POB) và Polypropylen (PP)
Tính chất

POB

PP

Nhiệt độ nóng chảy (oC)

175

176

Độ trong (%)

80

70

Khối lượng phân tử (D)

5x105

2x105

Nhiệt độ thủy tinh hóa (oC)

15

- 10

Khối lượng riêng (g/cm3)

1.1250

0.905

Modul uốn (gPa)

4.0

1.7

Độ dãn khi kéo đứt (%)

6

400

Độ bền với tia cực tím

Tốt

Không tốt

Độ bền với dung môi

Không tốt

Tốt

24


3.3. Polyhydroxyalkanoates
Tính chất độc đáo khác của Polyhydroxyalkanoates:
+ khả năng tương thích với các mô động vật,
+ hoạt độ quang học,
+ áp điện
+ chất chống oxy hóa
+ quan trọng nhất là phân hủy sinh học.

25