LÊN MEN FED BATCH 1

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH LÊN MEN FED-BATCH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THỊ THANH THỦY
LỚP:

K61CNTPC

THÀNH VIÊN NHÓM:

HOÀNG THỊ HÀ GIANG – 611118
ĐINH TRẦN THU HÀ - 611120
HOÀNG THU HÀ - 611121
NGUYỄN THỊ HẢI - 611124


NỘI DUNG

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

1.2. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU

II. NỘI DUNG
II. NỘI DUNG
2.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LÊN MEN

2.2. LÊN MEN FED-BATCH

2.3. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM

2.4. ỨNG DỤNG

III. KẾT LUẬN
III. KẾT LUẬN


ĐẶT VẤN ĐỀ

Con người đã biết đến và sử dụng những sản
phẩm lên men từ xa xưa: rượu, dưa cà,...
Ngày nay, công nghệ thực phẩm phát triển,
các sản phẩm lên men cũng đa dạng và “công
nghệ” hơn.
Kỹ thuật lên men fed-batch tạo ra những sản
phẩm bằng quy trình như thế nào để mang lại
hiệu quả về chất lượng sản phẩm?


MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU

MỤC ĐÍCH

(1) Để có cái nhìn tổng quát về lên men.
(2) Để rõ hơn về một kỹ thuật lên men cụ thể
(3) Để biết ưu, nhược của lên men fed-batch
(4) Để biết các ứng dụng của lên men fed-batch

YÊU CẦU
(1)Biết được khái niệm, nguồn gốc, các quan điểm lên men
(2) Biết được các vấn đề chính của fed-batch
(3) Biết được các ưu, nhược điểm của kỹ thuật
(4) Biết được ứng dụng của lên men fed-batch


KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LÊN MEN

Từ tiếng Latin “fervere”: làm sôi, làm chín mô tả hoạt động của vi sinh vật.

Nguồn gốc

Louis Pasteur gọi sự lên men là sự sống thiếu không khí.
Đến nay, lên men được hiểu là tất cả các quá trình biến đổi do vi sinh vật thực hiện trong điều kiện
yếm hay hiếu khí.

(1) Theo quan điểm vi sinh vật: Là quá trình chuyển hóa cơ chất tạo ra sản phẩm dưới tác động của
Quan điểm

các enzyme trong vi sinh vật.
(2)Theo quan điểm hóa sinh: Là quá trình sản sinh năng lượng trong đó các hợp chất hữu cơ chính là
các chất cho và nhận (e)

Trong
công
nghiệp

Sử dụng có chủ ý quá trình lên men bởi các vi sinh vật để tạo ra các sản phẩm hữu ích cho con người.
Ứng dụng trong công nghiệp.

LÊN MEN FED-BATCH
KHÁI NIỆM

- Là lên men có bổ sung dưỡng chất.
- Trung gian: Giữa batch và liên tục.
+Gián đoạn
- Cơ chất

Nồi lên men
+Liên tục

- Kết thúc: Lấy sản phẩm

ĐẶC ĐIỂM

- Ban đầu: Giống batch

- Về sau: Bổ sung dưỡng chất
- Dưỡng chất: Môi trường nuôi cấy, cơ chất
- Dưỡng chất: Được kiểm soát suốt quá trình.

Hình 2.2.2. Sự thay đổi trong lên men fed-batch


LÊN MEN FED-BATCH

(1) Không bị thoái hóa, giảm khả năng
sinh trưởng, năng lực sản xuất.

(2) Duy trì hoạt tính sau thời gian bảo

Chủng vi
sinh vật

Theo nồng
độ cơ chất
bổ

sung

(1)Thay đổi thể tích
(2) Không thay đổi

quản. Không bị tạp nhiễm.

thể tích

NGUYÊN LIỆU

PHÂN LOẠI

(1) Dưỡng chất:
nguồn C, nguồn N, vitamin, khoáng
(2) Cơ chất:
Thành phần được vi sinh vật sử dụng
(3) Chất mang: nước, giá thể
(4) Chất đệm, chất chống tạo bọt, chất tạo
phức, chất định hướng, chất cảm ứng,..

Môi trường

Theo kiểu

dinh dưỡng

nạp cơ chất

(1)
(2)

Liêntục
Gián đoạn


LÊN MEN FED-BATCH
QUY TRÌNH LÊN MEN
Sơ đồ tổng quát quá trình lên men

Các giai đoạn trong quy trình lên men
Ba giai đoạn chính:

Vi sinh vật

Nguyên liệu

(1) Chuẩn bị trước lên men

(upstream), gồm:

Chuẩn bị nguyên liệu
Nhân giống

Chuẩn bị vi sinh vật

Chuẩn bị

(2) Lên men: Được thực hiện trên thiết bị chuyên dụng
Dưỡng chất

Cấy giống

(3) Xử lý sau lên men (downstream): Dịch sau lên men được xử lý
qua các công đoạn sau: lọc, tinh chế, kết tinh, ly tâm, sấy, trích
ly,...

LÊN MEN

Thu hoạch

Xử lý lên men

Sản phẩm
Sơ đồ tổng quát của quá trình lên men


LÊN MEN FED-BATCH
SƠ ĐỒ LÊN MEN FED-BATCH

- Bình lên men: Diễn ra lên men.

- Bơm: Lấy chất dinh dưỡng.
- O2 qua HT kiểm soát lưu lượng.
- O2, CO2: Qua bộ lọc, HT phân tích.

Bộ phận kiểm soát nối với một đầu cảm ứng. Đầu
cảm ứng có tác dụng đo, kiểm tra nhiệt độ, pH,
CO

2

và O

2


LÊN MEN FED-BATCH

THIẾT BỊ

(1) Nồi lên men có cánh khuấy: Diễn ra lên men. Cánh khuấy đảo trộn,
làm đồng nhất dịch lên men, tăng độ hòa tan O

2

vào dịch -> O

2

được

phân tán đều trong bình. Đồng thời tăng Hlên men

(2) Bơm: Lực của bơm để đưa chất dinh dưỡng vào bình lên men khi đến thời điểm thích hợp

(3) Hệ thống kiểm soát lưu lượng khí: Kiểm soát nồng độ O

2

đưa vào phù hợp.

(4) Bộ lọc khí: Lọc các chất khí (O , CO ,.). Kích thước lỗ lọc từ 0,01 – 0,5mm tùy mục đích sử dụng.
2
2

(5) Hệ thống phân tích khí (O , CO ): Phân tích và dựa vào CO xem quá trình lên men này đã triệt để chưa,
2
2
2
quyết định dừng hay tiếp tục lên men


LÊN MEN FED-BATCH

(6)Hệ thống kiểm soát: Nối với đầu cảm ứng, đo và kiểm tra các thông số: pH,

THIẾT BỊ

nhiệt độ, O , CO ,...
2
2

.
(7) Hệ thống các đường ống: nạp liệu, nạp giống, lấy mẫu,
đường xả dịch,... Có gắn van, cô lập với nồi lên men và điều
tiết dịch nạp vào hoặc chiết ra khi cần.

(8) Hệ thống nước giải nhiệt: Thường dùng tác nhân nước ở
o
nhiệt độ 5-25 C
- Gồm tháp giải nhiệt, máy lạnh
- Bơm cấp nguồn nước nhiệt độ thấp

(9) Hệ thống chuẩn bị và thanh trùng môi trường liên tục:
- Bồn chứa các nguyên liệu, bơm, thiết bị phụ trợ,...

(10) Lò hơi: Cung cấp hơi nước nóng với p>1,5kgf/cm

- Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt liên tục

thanh trùng nồi, môi trường nuôi cấy

- Tháp lưu

2

để


Hệ thống làm lạnh nước

Lò hơicho tiệt trùng

Máy nén không khí

HTLM kiểm soát tự động

LÊN MEN FED-BATCH

Thiết bị trao đổi nhiệt

Nồi lên men có cánh khuấy


LÊN MEN FED-BATCH

Nguồn cơ chất: Phù hợp, dễ dàng cho vi sinh vật sử dụng.

CÁC YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG

Thành phần môi trường dinh dưỡng: Vai trò quan trọng trong
việc tăng trưởng của vi sinh vật.

Nồng độ oxygen: Thiếu O

2

tạo sản phẩm phụ -> giảm hiệu suất.

Sục khí, khuấy đảo -> cung cấp đủ O

Các chất đệm pH:

2

Kiểm soát pH ở giá trị ổn định (CaCO3,

phosphate).

Nồng độ cơ chất cung cấp: Được tính toán phù hợp với khả năng sử dụng của vi sinh vật.
Chỉ nạp đủ theo nhu cầu sử dụng.
Nạp quá dư -> thiếu O
Nạp thiếu -> hạn chế

2

cung cấp.

vtăng trưởng, vsản xuất


LÊN MEN FED-BATCH

Thu nhận L-lysine từ Corynebacterium glutamicum

Môi trường lên men

(1)
(2)

Nước: Môi trường hoạt động của vi sinh vật. Tác nhân gia, giải nhiệt.
Nguồn carbon: Ảnh hưởng hình thành sinh khối.

Môi trường nuôi cấy
Gồm môi trường giữ giống và nhân giống để bảo quản và hoạt hóa giống

- Trong PTN: Carbon tinh khiết (glucose)

MÔI TRƯỜNG

- Trong công nghiệp: ngô, củ cải,....
(3) Nguồn nito: Tham gia nhiều cấu trúc tế bào, hình thành sinh khối.

M1: Giữ giống

- Nito vô cơ: muối nitrate
- Nito hữu cơ: peptone, cao nấm men,.,,

(1) Peptone: 10g/l

(4) Các nguyên tố vi lượng: Ảnh hưởng đến enzyme.

(2)Cao nấm men: 5g/l

(5) pH: pH 7,0 tối ưu cho Corynebacterium glutamicum sản sinh L-lysine

(3) Glucose: 5g/l

(6) Lượng oxy: Cung cấp

(4) NaCl: 5g/l

với nồng độ thích hợp. Corynebacterium

glutamicum là vi khuẩn hiếu khí

(5) Agar: 18g/l
(6) pH: 7,2

M2: Nhân giống
(1) Dịch chiết bắp: 50g/l
(2) Glucose: 20g/l
(3) Peptone: 10g/l
(4) Cao nấm men: 5g/l
(5) NaCl: 5g/l
(6) pH: 7,2


LÊN MEN FED-BATCH
Thu nhận L-lysine từ Corynebacterium glutamicum

(1) Nhận giống -> tiến hành hoạt hóa, kiểm tra
(2) Tối ưu hóa môi trường lên men, có các thông số tối ưu.
(3) Tiến hành lên men batch, phân tích động học, từ đó xác
định thời điểm và nồng độ cơ chất bổ sung.
(4) Khảo sát ngưỡng ức chế cơ chất đối với sự hình thành Llysine của chủng
(5) Thử nghiệm lên men fed-batch.

- Chủng được nhân giống cấp 2 trước lên men
- Khuẩn lạc -> ống nghiệm 10ml -> nhân giống cấp 1

Sau 24h, giống đưa vào bình lên men với tỷ lệ 7%, chất lượng giống 2,4 tỷ tế bào/ml.


LÊN MEN FED-BATCH
Thiết bị sử dụng trong nuôi cấy vi sinh vật
Ngoài ra, còn có que cấy, đèn cồn...

Một số thiết bị sử dụng trong đề tài


LÊN MEN FED-BATCH
Tiến hành thử nghiệm lên men fed-batch Corynebacterium glutamicum thu nhận L-lysine

1

Xác định thời điểm bắt đầu bổ sung cơ chất

Nguyên tắc: Bổ sung khi môi trường thiếu. Xác định thời điểm bổ sung giúp duy trì ổn định lượng cơ chất.

Bố trí thí nghiệm: Môi trường tối ưu, tiến hành lên men batch trong bình 500ml, VMT =250ml.
o
- Điều kiện lên men: tphòng ( C), pH~7-7,2, chế độ lắc vòng 150v/phút. Lấy mẫu các thời điểm: 0, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 24, 28, 32, 36, 40,
44, 48 giờ.
- Phân tích các chỉ tiêu: mật độ tế bào (log CFU/ml), lượng đường sót trong canh trường (g/l) và lượng L-lysine (g/l)

Kết quả dự kiến: Xác định biến động sinh trưởng, khả năng sử dụng cơ chất và khả năng sinh L- lysine theo thời gian. Từ đó, xác định
được thời điểm bắt đầu bổ sung cơ chất.


LÊN MEN FED-BATCH

Tiến hành thử nghiệm lên men fed-batch Corynebacterium glutamicum thu nhận L-lysine

2

Xác định
ngưỡng ức chế cơ chất

2

Thử nghiệm lên men fed-batch

Nguyên tắc: Ngưỡng mà tại đó nồng độ cơ chất ức chế sự

Nguyên tắc: Bổ sung cơ chất suốt quá trình, duy trì nồng độ ổn

hình thành L-lysine.

định, thuận lợi cho chủng giống sinh trưởng và sinh tổng hợp
sản phẩm.

Bố trí thí nghiệm: Lên men chủng trong bình 250ml,
VMT=100ml.

Bố trí thí nghiệm: Ban đầu: Giống batch, VMT nuôi cấy=250ml.

o
- Điều kiện lên men: tphòng ( C), pH~7-7,2, chế độ lắc

Dựa vào khả năng sử dụng đường của chủng, ngưỡng ức chế cơ

vòng 150v/phút.

chất để có chế độ fed-batch hợp lý.

- Nồng độ carbon khảo sát: 10g/l, 75g/l và 100g/l. Mẫu đối

Cuối mỗi thời điểm, lấy 5ml mẫu phân tích các chỉ tiêu: lượng L-

chứng: 50g/l.

lysine, mật độ tế bào và lượng đường sót trong canh trường.

- Các chỉ tiêu theo dõi: lượng L-lysine, mật độ tế bào và
đường sót.

Kết quả dự kiến: Xác định mức giới hạn trên và dưới, là cơ
sở để duy trì nồng độ cơ chất phù hợp


LÊN MEN FED-BATCH
Các yếu tố ảnh hưởng đến lên men fed-batch thu nhận L-lysine
từ Corynebacterium glutamicum
YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG

(1) Nguồn cơ chất sử dụng

- Glucose: CTPT đơn giản,

nguồn đường dễ sử dụng nhất, được vi sinh

vật đồng hóa đầu tiên khi vào môi trường nội bào.
(3) Môi trường và điều kiện nuôi cấy

- Là nguồn carbon tinh nên dễ dàng kiểm soát lượng đường

-

C. glutamicum có khả năng đồng hóa nhiều nguồn C

(glucose, fructose, maltsose, dịch bắp, mật rỉ đường, ...)

- Ure, peptone và (NH4)2SO4 là những nguồn N phổ biến
được sử dụng.

(2) Nồng độ cơ chất sử dụng

- Duy trì trong giới hạn >10g/L và <100g/L, tốt hơn là dao động
quanh 50g/L.

- Nồng độ glucose ~60-233g/L ảnh hưởng lớn đến hình thành Llysine của chủng, nhưng nồng độ 65g/L cho sản lượng L-lysine cao
nhất


LÊN MEN FED-BATCH
Các yếu tố ảnh hưởng đến lên men fed-batch thu nhận L-lysine

CƠ CHẤT VÀ THÀNH PHẦN MÔI TRƯỜNG

từ Corynebacterium glutamicum

LÊN MEN FED-BATCH
CHẾ ĐỘ TIẾN HÀNH
(1) Nguồn cơ chất bổ sung: Glucose
(2) Thời điểm bổ sung cơ chất: 20 giờ
(3) Chu kỳ bổ sung cơ chất: 2 giờ, giúp ổn định lượng đường trong môi trường

SO SÁNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TRONG BATCH VÀ FED-BATCH
1/Lượng L-lysine
- 20h đầu, lượng L-lysine tương đương ở cả 2. Với fed-batch,
sau 20h, glucose được bổ sung làm lượng L-lysine ở fed-batch
cao hơn batch ở những thời điểm sau.

- Nguyên nhân: Do nồng độ đường luôn giữ ở mức phù hợp,
hoạt động trao đổi chất luôn ở mức độ cao nên sinh ra nhiều
sản phẩm.

- Kết thúc: Ở 48 giờ, L-lysine đạt ở lên men batch: 34g/L, fedbatch 43g/L, tăng 21% so với dạng batch.

Đồ thị so sánh lượng L-lysine trong batch
và fed-batch


LÊN MEN FED-BATCH
SO SÁNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TRONG BATCH VÀ FED-BATCH
2/Khả năng sinh trưởng của chủng

- Mật độ tế bào 20h đầu tương đương giữa 2 hình
thức.

- Sau khi bổ sung glucose từ 20h trở đi, mật độ tế
bào trong lên men fed-batch cao hơn -> có tăng
sinh, cơ chất được sử dụng.

- Cuối quá trình, mật độ tế bào ở lên men batch bắt

đầu giảm (thời điểm 40h). Trong khi đó, ở hình thức
fed-batch, mật độ tế bào vẫn tăng.

Đồ thị so sánh khả năng sinh trưởng của chủng trong batch và fedbatch


LÊN MEN FED-BATCH
SO SÁNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TRONG BATCH VÀ FED-BATCH
3/ Lượng đường sót

- Lượng đường sót có sự khác biệt rõ ở 2 hình thức.
-

Với batch, lượng đường sót giảm tuyến tính theo

thời gian.

- Fed-batch, lượng đường sót tăng giảm không tuyến
tính do glucose được bổ sung trong quá trình lên
men. Tuy nhiên, lượng đường từ thời điểm 20h trở đi
luôn duy trì ở nồng độ thích hợp nên quá trình TĐC
diễn ra mạnh, làm tăng khả năng sinh tổng hợp Llysine

Đồ thị so sánh lượng đường sót trong lên men batch
và fed-batch


ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA LÊN MEN FED-BATCH
ƯU ĐIỂM

NHƯỢC ĐIỂM

(1) Giảm sự ức chế sinh trưởng của vi sinh vật, giảm sự tạo sản
phẩm phụ, từ đó hạn chế lượng sản phẩm bị giảm do nồng độ

(1) Vẫn còn sự nhiễm tạp so với lên men batch

dưỡng chất đầu quá cao.

(2) Giữ hàm lượng cơ chất ở mức dưới ngưỡng ức chế

(3) Giảm nhiễm tạp và đột biến so với lên men liên tục, đạt
năng suất cao hơn so lên men batch.

(4) Nhiều nghiên cứu sản xuất amino acid được tiến hành bằng
lên men fed-batch. Kết quả, lượng amino acid thu được cao
hơn nhiều so với lên men batch.

(2) Yêu cầu cao về kỹ năng vận hành, kiểm soát, xử lý

(3) Tốn nhiều chi phí hơn trong việc sử dụng lao động để điều
khiển, kiểm soát quá trình.

ỨNG DỤNG LÊN MEN FED-BATCH
SẢN XUẤT ETHANOL
1, Đặc điểm, cấu tạo
- CTHH: C H O hay C H OH 
2 6
2 5

- Là chất lỏng, dễ bay hơi nếu không bảo
quản tốt, dễ cháy, không màu, mùi đặc trưng

- Là chất kích thích

3, Phương pháp sản xuất
(1) Hydrat hóa etilen
(2) Lên men không O

2

(C H O  → 2CH CH OH + 2CO )
6 12 6
3
2
2
(3) Sản xuất ethanol bằng lên men Fed-batch được sử dụng
rộng hơn hẳn.

2, Ứng dụng
- Chế biến, bảo quản

- Bổ sung liên tục glucose, không bỏ dịch lên men. Nồng

- Làm dung môi

độ glucose cao ức chế phát triển của vi sinh vật, tạo ra

- Chất sát trùng sát khuẩn

ethanol. Cho năng suất cao hơn, hòa tan O

- Điều chế các hợp chất hữu cơ khác

thời gian lên men và giảm ảnh hưởng của chất độc trong

2

cao hơn, giảm

môi trường.

- Có sử dụng men bánh mì, thuộc chủng S.cerevisiae.
Chủng này có thể sản xuất ethanol nồng độ cao và thích
hợp nhất cho phương pháp lên men Fed-batch sản xuất
ethanol.