Tài liệu Chương 3: Kỹ thuật và phương pháp chung docx

1
CHƯƠNG 3
Kỹ thuật và phương pháp chung
I. Những ưu điểm của vi sinh vật trong công nghệ sinh học
II. Sơ đồ tổng quát và các công đoạn chính của quá trình lên
men công nghiệp
III. Kỹ thuật và phương pháp cơ bản
3.1. Giống cho sảnxuất
3.2. Nguồndinhdưỡng và môi trường lên men
3.3. Hệ thống thiếtbị
3.4. Thiếtkế công nghệ
3.4. Khử trùng
3.5. Thu nhậnsảnphẩmlênmen
Saccharomyces cerevisiae
Lactic acid bacteria
Lactobacillus acidophilus
Brevibacterium linens
Wine, vinegar, beer, yogurt
Bacillus subtilis
Penicillium
Trichoderma
Spirulina platensis
Aspergillus oryzae
Streptomyces
Antibiotics, enzymes, vitamins
2
QUY TRÌNH LÊN MEN
3.2. Nguồndinhdưỡng và môi trường lên men
•Nước
•Nguồn carbon
•Nguồnnitơ

• Các nguyên tố khác và vitamin
Chấtdinhdưỡng đốivới VSV
Yếutố quyết định đến nhu cầudinhdưỡng
Nước
¾Nước là thành phần chính củatế bào và
thể hiện nhiều vai trò khác nhau
¾Chấtlượng nướcrất quan trọng trong sản
xuấtcácsảnphẩmtừ vi sinh.
• Độ cứng
•Khả năng oxi hóa
•Vi sinhvật (VSV gây bệnh)
VD: SX rượuBầu Đá, rượu vang
3.2. Nguồndinhdưỡng và môi trường lên
men
3
Nước
Lên men trong nước
¾ Ưu điểm
• Độ đồng nhấtcao
•Dễ dàng theo dõi pH, t
o
¾ Nhược điểm
•Khókhăn trong tách chiết
3.2. Nguồndinhdưỡng và môi trường lên
men
Nguồn carbon
¾Carbon là nguồndinhdưỡng quan trọng
• Thành phầncấutrúctế bào (50% vậtchất khô).
• Cung cấpnăng lượng
¾Nguồn cung cấp

• Các nguyên liệu đường: mậtrỉ, các loạinước
trái cây, đường đơn, đường kép
• Các nguyên liệuchứa tinh bột
3.2. Nguồndinhdưỡng và môi trường lên
men
Nguồnnitơ
¾ Là thành phầncủanhiềuchất có trong tế bào
¾ Nguồn cung cấp
•Vôcơ
muối ammonium, VD: ammonium phosphate
•Hữucơ
Amino axit, sảnphẩmthủy phân từ protein
3.2. Nguồndinhdưỡng và môi trường lên
men
4
Nguồnnitơ
¾ Nguồnnitơ tổng hợp: SA (sulffat ammonuim), DAP
(Diammonium phosphate), urê.
¾ Nguồn nitrogen tự nhiên:
-Bột đậutương được dùng như là một nguồnnitơ kĩ
thuậttương đốiphổ biến trong nhiềumôitrường
dinh dưỡng.
-Nướcchiếtbắp, cao bắp, cao nấm men.
- Ngoài ra. Có thể sử dụng bột đậu nành hay bột
đậu khác giàu đạm
3.2. Nguồndinhdưỡng và môi trường lên
men
Các nguyên tố khác và vitamin
¾Ngoài nguồnC vàN, môitrường dinh dưỡng
cần đủ các nguyên tốđalượng và vi lượng khác

như:P, S, K, Na, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Co,…
¾Ngoài các vitamin có sẵntrongcơ chất ban
đầu, trong mộtsố qui trình cầnbổ sung vitamin
như biotin.
3.2. Nguồndinhdưỡng và môi trường lên
men
Môi trường lên men
¾Môi trường nghèo dinh dưỡng
¾Môi trường có hàm lượng dinh dưỡng
trung bình
¾Môi trường giàu dinh dưỡng
5
Môi trường lên men
Các thành phần chính củamôitrường lên men
•Nguồn Cacbon
•Nguồnnitơ
•Nguồn khoáng đalượng: K,P, Ca, Mg, Fe
•Nguồn khoáng vi lượng
•Cácvitamin
•Chất kích thích sinh trưởng: 2,4D, α-naptylacetic
acid,…
Ảnh hưởng củamôitrường lên men đếnchấtlượng sảnphẩm?
3.3. Hệ thống thiếtbị
•Trướclênmen
• Lên men
• Sau lên men
II. Sơ đồ tổng quát và các công đoạn chính của quá trình
lên men công nghiệp
Sơđồkhái quát quá trình lên men
6

3.3. Hệ thống thiếtbị
Trướclênmen
-Bể hay bồnchứacơ chất ban đầu để trữ
nguyên liệuchosảnxuất
-Thiếtbị nghiền nguyên liệuthô
-Thiếtbị trộn nguyên liệuvàphachế môi
trường nuôi
-Thiếtbị khử trùng
3.3. Hệ thống thiếtbị
Lên men
Fermentor là gì?
Nơixảyraquátrìnhbiến đổi hóa học, sinh học
Sinh khối
Môi trường nuôi
cấy
Vi sinh vật
Phân tử sinh
học
Sp bậchai
Alcohol
Acetic Acid, etc
7
Fermenter Types
9Shaking Tank
9Bubble Column
9Airlift
9Packed Bed
9Fluidized Bed
Fermentor: Shaking tank
9Working volume = (60-70) % of

tank volume
9 Height – Diameter ratio
H/D =1 H/D > 1
9 Heat transfer **
Vách
ngăn
Phun
không
khí
Phá
bọt
Nước
vào
Nước
ra
Không khí ra
Không khí
vào
Fermentor: Shaking tank
các dạng vật đẩy
Chân vịt
(Propeller
Mỏ neo
(Anchor)
Rushton Turbine
Palette Rake anchor
Coiled helix
**
8
Fermenter: Bubble column

Vậnchuyển không khí (Airlift)
Packed bed
9
Fluidized bed
3.3. Hệ thống thiếtbị
Sau lên men
-Thiếtbị tách tế bào
-Thiếtbị phá vỡ tế bào:
Dùng thu nhậncácsảnphẩmnội bào
-Thiếtbị cô đặc: Làm bốchơi, lọc màng, trao đổi ion, hấpthu
-Thiếtbị dùng cho phản ứng tạosảnphẩm
-Thiếtbị kết tinh:
bộtngọt, citric acid…
-Sắckí: tinh chế sảnphẩm
-Thiếtbị sấy
-Các thiếtbịđểchế biếnvàbảoquảnsảnphẩmnhư
rửa, sấy…
3.4. Thiếtkế công nghệ
Thiếtkế công nghệ
Thiếtkế nhà máy
Thiếtkế máy móc
10
Nguyên tắc
•Dựavàođặc điểm sinh lý củagiống VSV
•Dựavàođặc tính sinh hóa
•Dựavàođặc điểmsảnphẩm
3.4. Thiếtkế công nghệ
3.4. Thiếtkế công nghệ
Lên men
Công nghệ

(+) o
2
Công nghệ
(-) o
2
Lên men hiếukhí Lên men khị khí
Lên men hiếu khí – Lên men kị khí
Giống nhau
•2 qt đềusinhnăng lượng, NL này dùng cung cấp
cho các hoạt động sống, các PUSH trong & ngoài
TB và mộtphầnNL đượcthảiramôitrường ngoài
dướidạng nhiệtnăng
•Sảnphẩm trung gian ban đầu đềulàa. pyruvic
• Các phản ứng trong 2 qt đều do enzym thựchiện.
11
Lên men hiếukhí
• Lên men hiếu khí là quá
trình oxi hóa rấtchậm,
sảnphẩmcuốicùnglà
CO
2
, H
2
O và E
•Năng lượng tự do cao
hơn
Lên men kị khí
• Lên men kỵ khí hoàn
toàn không có oxy,
LMKK là qt oxh

không hoàn toàn, SP
cuốilàcácchấttrung
gian và E.
•Năng lượng tự do
thấphơn
Khác nhau
Lên men hiếukhí
¾Là quá trình chuyển hóa vậtchấtkhicó
mặto
2
¾Oxi ở dạng
• Hòa tan (VSV thường sử dụng – trựctiếp)
• Liên kết (thủy phân cơ chất – gián tiếp)
• Tự do (VSV không sử dụng – không thể)
3.4. Thiếtkế công nghệ
Lên men hiếukhí
Vai trò củacánhkhuấy
¾Làm xáo trộn môi trường
¾Phá lớpsảnphẩmtraođổichất xung
quanh tế bào
¾Làm tăng nhanh tốc độ hòa tan củaoxi
¾Làm tăng tốc độ sinh sảncủavsv
¾Đẩy nhanh các chấtkhí(H
2
S, NH
3
…) ra
khỏimôitrường lên men
3.4. Thiếtkế công nghệ
12

Lên men hiếukhí
Tác động củathổikhí
¾Cung cấpoxi
¾Xáo trộnmôitrường (đẩy mt lên trên)
¾Tăng nhanh nhanh quá trình sinh sảncủa
vsv
•Tácđộng trựctiếp: cơ học
•Tácđộng gián tiếp: thẩmthấu vào trong tế
bào-> tham gia pứ oxh, quá trình tổng hợptế
bào
3.4. Thiếtkế công nghệ
Lên men hiếukhí
Lượng oxi hòa tan phụ thuộc
¾ Chiềucaocủathiếtbị lên men: h = 2Φ
¾ Kích thướccủabọtkhí
3.4. Thiếtkế công nghệ
Lên men hiếukhí
Các phương pháp nuôi
¾ Phương pháp nuôi cấybề mặt
• Nuôi cấytrênmôitrường lỏng
• Nuôi cấytrênmôitrường đặc
¾ Phương pháp nuôi cấychìm: mtlỏng
•Chukỳ
•Bánchukỳ
•Liêntục
3.4. Thiếtkế công nghệ
13
Lên men kị khí
¾ Là lên men không có oxi
¾ Phầnlớnsảnphẩm lên men kị khí là sản

phẩmbậc hai
¾ Thông thường, trên bề mặt có nhiềuván
• Ván: xác chếtvsv, chấthữucơ có tỉ trọng nhỏ
hơn dung dịch -> ảnh hưởng quá trình lên
men, thoát khí độc
• Cầnthiếtkế thiếtbị phá ván
3.4. Thiếtkế công nghệ
Các yếutốảnh hưởng đến quá
trình lên men?
¾ Giống
¾Thành phầndinhdưỡng
¾ pH
¾ Nhiệt độ
¾ Độ ẩm
¾ Hàm lượng oxy hòa tan
¾ Tốc độ khuấytrộn
¾…
3.4. Khử trùng
¾ Loạibỏ các nguồnvấynhiễm (không khí, nước, nguyên liệu…)
¾ Các phương pháp khử trùng
•Nhiệt ướt
•Nhiệtkhô
•Lọc:
bông đá, bông thủy tinh, màng lọc
•Hóachất (NaoH, H
2
O
2
…)
•TiaUV

• Phóng xạ
Phương pháp thường đượcsử dụng trong quá trình CNSH
14
¾ Thu nhậnsinhkhối VSV
•Phương pháp lọc
•Phương pháp ly tâm
•Phương pháp lắng
¾ Thu nhậncácsảnphẩmtraođổichấtbậc hai
• Thu nhậnsp bậc 2 trong môi trường nuôi cấy
 PP kếttủa
 PP tinh chế sảnphẩm
• Thu nhậnsp bậc 2 trong tế bào vi sinh vật
 PP hóa học
 Pp vậtlý
 Pp sinh học
3.5. Thu nhậnsảnphẩm
Câu hỏiôntập
1. Quá trình lên men là gì? Trình bày sơđồtổng quát củaquy
trình lên men? Giải thích sơđồ?
2. Những điềukiệncầnthiếtchomột quá trình lên men trong
sảnxuất công nghiệp?
3. Tại sao nói nướccóvaitròrất quan trọng trong công nghệ
lên men? Trình bày yêu cầuchấtlượng nước dùng làm dịch
lên men?
4. Tạisaocầnphảikhử trùng trong công nghệ lên men? Trình
bày các phương pháp khử trùng thường dùng trong công
nghệ lên men?
5. Thiếtbị lên men có cánh khuấycósử dụng trong lên men kị
khí được không? Giải thích?
6. Trình bày tác dụng thổikhícủathi

ếtbị lên men?
7. Trình bày các phương pháp thu nhậnsinhkhối vi sinh vật?
8. Trình bày các phương pháp thu nhậnsảnphẩmtraođổichất
bậc hai?