các quy trình cơ bản của hệ thống lên men công nghiệp

Slide 1 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM MÔN HỌC : CÔNG NGHỆ LÊN MEN THỰC PHẨM TÌM HIỂU QUY TRÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP NHÓM 2 1 quy trình lên men công nghiệp 1 2 DANH SÁCH NHÓM 2 STT Họ và tên MSV Lớp 1 Lê Thanh Huyền 571133 K57-CNSTHB 2 Mai Thị Khuyên 571137 K57-CNSTHB 3 Lê Thị Loan 571355 K57-CNTPB 4 Trương Thị Lý 571142 K57-CNSTHB 5 Trần Thị Thu Mai 571143 K57-CNSTHB 6 Chu Thị Thơ 571384 K57-CNTPB quy trình lên men công nghiệp 3 I. Mở đầu II. Nội dung 1) Thuyết minh quy trình 2) Các công đoạn chính 2.1- Chuẩn bị trước lên men 2.2- Công đoạn lên men 2.3- Xử lý sau lên men 3) Một số sản phẩm của lên men III. Kết luận MỤC LỤC quy trình lên men công nghiệp 4 I. Mở đầu 1940 1957 Lên men công nghiệp quy trình lên men công nghiệp Năm 1940, chất kháng sinh penicillin lần đầu tiên đc sx ở quy mô công nghiệp 1957, cty ajinomoto sản xuất bột ngọt với quy mô lớn Đây là 2 sự kiện đóng góp vào quá trình phát triển của lên men công nghiệp. 4 5 II. Nội dung Trước lên men ( upstream) Lên men ( fermentation) Sau lên men ( downstream) 1) Thuyết minh quy trình quy trình lên men công nghiệp Đầu tiên , nguyên liệu cần được lựa chọn và xử lý tốt phù hợp với sự phát triển của vi sinh vật. Song song với đó, công đoạn chuẩn bị giống vi sinh vật và nhân giống cũng rất quan trọng trong việc chuẩn bị đủ lượng giống cho quá trình lên men. Công đoạn cấy giống vào nguyên liệu đã xử lý cần cung cấp đủ dưỡng chất để vi sinh vật tồn tại và phát triển. Sau bước cấy giống ta sẽ đem hỗn hợp đi lên men trong các điều kiện thích hợp. Trong quá trình lên men, diễn ra các quá trình truyền khối, truyền nhiệt, tăng sinh khối tế bào và điều chỉnh hoạt tính sinh học để tạo nhiều sản phẩm mục tiêu. Kết thúc quá trình lên men là bước thu hoạch và xử lý sau lên men để cuối cùng thu được sản phảm mong muốn. 5 6 2) Các công đoạn chính -nguồn C -nguồn N -vitamin -khoáng những thành phần bị biến đổi trong quá trình lên men -nước -giá thể (bã mía, rơm rạ…) -chất đệm -chất chống tạo bọt -chất tạo phức -chất định hướng -chất cảm ứng -chất xúc tiến 2.1- Chuẩn bị trước lên men Môi trường II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp Nguồn C :Ta có thể dùng các loại đường như glucoz hay saccaroz, maoltoz, lactoz, các loại polysaccarit như tinh bột, xelluloz, hay chất béo để làm nguồn C cho quá trình lên men. Nguồn N :Thông thường, các muối amôn, các muối nitrat hay urê được sử dụng làm nguồn N. bánh dầu các cây họ đậu, dịch chiết nấm men. xục NH3  Tp công nghệ -Chất đệm : giữ cho pH của môi trường lên men được ổn định ; thường dùng CaCO3 hoặc các muối phốt phát. -Chất chống tạo bọt : silicon, polyether, các loại dầu thực vật có thể dùng cho mục đích này. -Chất tạo phức : ngăn ngừa sự kết tủa của các ion kim loại, đặc biệt là khi tiệt trùng. Ta có thể dùng axit xitric, các poly phốt phát, etylendiamn tetraaxetic (EDTA). -Các chất định hướng : làm quá trình lên men chuyển biến theo một chiều hường phù hợp với mục đích sản xuất. -Các chất cảm ứng : để thúc đẩy tiến trình lên men tạo ra một sản phẩm nào đó ; thí dụ dùng tinh bột để sản xuất amylaz, dùng pectin để sản xuất pectinaz. -Các chất xúc tiến : dùng để rút ngắn thời gian của pha tiềm phát (pha lag), qua đó làm tăng năng suất của thiết bị. 6 7 2) Các công đoạn chính 2.1- Chuẩn bị trước lên men Giống vi sinh vật Lactobacellus debrueckii Lactobacellus bulgaricus Saccharomyces cerevisiae Bifidobacterium giống cần đảm bảo các điều kiện: +vẫn duy trì hoạt tính sau thời gian dài bảo quản +không bị thoái hóa giống hay giảm khả năng sinh trưởng, giảm năng lực sản xuất. +không bị tạp nhiễm. II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp 8 2) Các công đoạn chính 2.1-Chuẩn bị trước lên men Nguồn nguyên liệu Mục đích: Chuẩn bị nguyên liệu thô và xử lý tốt các nguyên liệu đầu vào để quá trình lên men đạt kết quả tốt nhất. Nguồn nguyên liệu Sản phẩm mong muốn sau lên men Các phương pháp lên men Phụ thuộc VD: Sản xuất penicillin theo 2 phương pháp khác nhau: - Lên men bề mặt: Môi trường nuôi cấy bề mặt có thể là các cơ chất rắn (cám hay các loại hạt) hoặc lỏng. Lên men chìm: thành phần môi trường gồm có cao ngô, glucose, lactose và các muối khoáng. II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp Đối với nguyên liệu thô, ta cần phải làm sạch, nghiền nhỏ, chuyển thành dạng dung dịch. Nếu nguyên liệu đã được tinh chế ở dạng rắn, ta cũng cần chuyển sang dạng dung dịch. Đối với vi sinh vật, ta cần phải chuẩn bị một lượng phù hợp với thể tích làm việc của thiết bị lên men.   - Sản xuất protein từ nấm men bằng nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau: nguồn hydrat cacbon thông thường; sử dugj nguồn rỉ đường; nguồn cacbon từ xenlulose thực vật; nguồn dầu mỏ và khí đốt. -Sản xuất axit glutamic nguyên liệu có thể là tinh bột sắn, rỉ đường, cao ngô, khai mì,…   Các phương pháp sản xuất khác nhau, sử dụng các loại nguyên liệu khác nhau:   -Nuôi cấy nấm mốc và một số vi khuẩn theo phương pháp bề mặt để sản xuất enzyme thường dùng môi trường rắn, một số trường hợp có thể dùng môi trường lỏng. Môi trường rắn thường là các nguyên liệu tự nhiên như cám, đôi khi dùng gạo tấm, ngô, bã bia, bã củ cải đường, khoai tây, lõi ngô… hoặc hỗn hợp những nguyên liệu này. Môi trường lỏng thường là rỉ đường, dịch thủy phân từ thóc mầm, nước bã rượu… có pha thêm muối khoáng. -Các vi sinh vật được dùng trong sản xuất enzyme gồm có vi khuẩn, nấm mốc, nấm men và xạ khuẩn. Các enzyme có thể được sản xuất từ động-thực vật cũng như các nguồn vi sinh vật, nhưng sản xuất bằng lên men vi sinh vật là phương pháp kinh tế và thích hợp nhất. 8 9 2) Các công đoạn chính 2.1-Chuẩn bị trước lên men Thiết bị Mục đích: Chuẩn bị tốt các trang thiết bị để quá trình lên men được diễn ra hiệu quả. II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp Các trang thiết bị chuẩn bị nguyên liệu : dùng để chuyển đổi các nguyên liệu thô mua ngoài thị trường thành cơ chất và dưỡng chất Nhóm này gồm các trạng thiết bị dùng để làm sạch (loại tạp chất, rửa), làm nhỏ (cắt, nghiền), phân loại (sàng), khuấy trộn, xử lý nhiệt (thanh trùng, tiệt trùng). Các trang thiết bị chuẩn bị vi sinh vật : dùng để nuôi cấy, nhân giống vi sinh vật cho đến khi đạt số lượng cần thiết cho quá trình lên men  các trang thiết bị phòng thí nghiệm như các dụng cụ thủy tinh cỡ nhỏ hay cỡ vừa, máy khuấy từ, máy lắc. Các bước sau có thể phải thực hiện ở các thiết bị lên men cỡ nhõ hay cỡ pilot 9 10 2) Các công đoạn chính 2.1-Chuẩn bị trước lên men Thiết bị Thiết bị phản ứng sinh học Bioreactor II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp =thùng lên men A được làm bằng thép không rỉ. =lớp áo nước B để gia nhiệt, làm nguội và/hay điều hòa nhiệt độ cho thùng. =Để đảm bảo cho các thành phần trong thùng được đồng đều, trong thùng có cánh khuấy C được kéo bằng động cơ D. =bộ phận phá bọt E. =Ở phía dưới thùng có cơ cấu xục khí F với nhiều lỗ   Các dòng vật chất 1 : đưa canh trường vào thùng, 2 : đưa dưỡng chất & cơ chất vào thùng, 3 : đưa dịch lên men ra khỏi thùng, 4 : đưa khí vào thùng, 5 : đưa khí ra khỏi thùng, 6 : đưa dung dịch axit hay kiềm vào thùng để điều chỉnh pH cho môi trường lên men, 7 : đưa nước hay hơi nước vào và ra thùng để gia nhiệt, làm lạnh hay điều hòa nhiệt độ cho môi trường lên men, 8 : đưa hơi nước vào thùng để thanh trùng hay tiệt trùng rồi sau đó dẫn nước ngưng ra khỏi thùng 9 : dùng để lấy mẫu để theo dõi hay kiểm tra.  10 11 2) Các công đoạn chính 2.2-Công đoạn lên men Giống đang được bảo quản Hoạt hóa giống Nhân giống Lên men đảm bảo nguồn giống cho nghiên cứu và sản xuất. Khôi phục hoạt tính giống sau thời gian bảo quản. Tạo lượng sinh khối đủ lớn để đưa vào sản xuất Tạo ra sản phẩm mong muốn. II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp 12 2) Các công đoạn chính 2.2-Công đoạn lên men Hoạt hóa giống Phương pháp cấy chuyền thường được sử dụng để hoạt hoá giống (cấy giống trên môi trường thạch nghiêng trong ống nghiệm hoặc trên đĩa) II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp Môi trường sử dụng phải bảo đảm giàu dinh dưỡng, độ pH tối ưu; điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, độ thoáng khí phải thích hợp cho sự tăng trưởng của chủng. Các điểm cần lưu ý trong công đoạn này bao gồm: Bề mặt thạch cần phải đảm bảo độ ẩm nhất định, không được quá khô vì như thế sẽ gây ảnh hưởng đến sự phát triển của chủng sau khi được cấy ria lên mặt thạch. Trong quá trình cấy ria, cần phải bảo đảm ria đều (theo đường zic-zăc) trên mặt thạch, không ria quá gần mép thạch nghiêng vì ở đây lớp thạch mỏng, khô không thích hợp cho sinh khối tế bào khi khuẩn lạc phát triển lớn. Cần phải kiểm soát tốt thời gian ủ để đạt được lượng sinh khối với hoạt tính tối ưu và ổn định. Tránh trường hợp ủ thời gian quá dài, sinh khối tế bào phát triển quá nhiều (over growth), lớp tế bào trên cùng của khuẩn lạc không được tiếp xúc trực tiếp với dinh dưỡng của môi trường thạch trong thời gian dài sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của giống sau này. 12 13 2) Các công đoạn chính 2.2-Công đoạn lên men Nhân giống Quá trình nhân giống thường dừng lại ở giai đoạn cuối của log phase, khi đó hoạt tính của giống là tốt nhất. Quá trình nhân giống thường chia thành hai giai đoạn: *Nhân giống sơ cấp Công đoạn nhân giống sơ cấp thường được thực hiện trong phòng nhân giống(phòng clean room) ở qui mô 100-500ml *Nhân giống thứ cấp -thực hiện qua một hoặc nhiều bậc. -thực hiện trong nồi nuôi cấy mầm với thể tích nạp giống tăng dần, khoảng 5-10% cho mỗi bậc II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp 14 2) Các công đoạn chính 2.2-Công đoạn lên men Lên men sản xuất ( trong nồi lên men) Giống sau khi được nhân lên đủ số lượng cần thiết ta tiến hành đem đi lên men trong nồi lên men công nghiệp. Đây là công đoạn chính của qui trình, trong nồi lên men xảy ra các quá trình truyền nhiệt, truyền khối và tăng sinh khối tế bào. Điều kiện : -nhiệt độ -pH -áp suất -Oxygen -độ ẩm II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp #Nhiệt độ môi trường với vi sinh vật có mối quan hệ mật thiết, vì nhiệt độ ảnh hưởng đến cường độ phát triển của từng loại vi sinh vật ,khả năng sinh trưởng của chúng ở nhiệt độ đó. Mỗi loại vi sinh vật đều có nhiệt độ phát triển tối thích, tối thiểu và tối đa mà chúng có thể chịu được khác nhau. : lên men rượu nhiệt độ 25-33oC; lên men lactic từ 30-45oC… #Đối với các chủng kỵ khí thì không cần cung cấp oxygen cho quá trình lên men. Đối với các chủng hiếu khí không bắt buộc thì trong từng giai đoạn cụ thể của quá trình, nhu cầu sử dụng oxygen có khác nhau. Đối với các chủng hiếu khí bắt buộc cần cung cấp oxygen trong suốt quá trình nuôi cấy #Trong quá trình lên men sinh tổng hợp, pH môi trường thường giảm nhẹ vào thời gian đầu do sự phân hủy các chất, như các protein thành các acid amin mang tính acid, sau đó pH thường tăng dần trong quá trình trao đổi chất tạo ra các chất mang tính kiềm như các amoni độ pH thích hợp cho sinh tổng hợp α-amylase là 7-8, glucoamylase là 4,5-5. #Phần lớn vi sinh vật không chịu được sự thay đổi áp suất, vì chúng được bảo vệ bởi thành tế bào cứng. nếu thành tế bào này bị phá hủy, thì chất nguyên sinh bị giải phóng ra bên ngoài do áp suất bên trong tế bào thường cao hơn áp suất bên ngoài. Để tránh nhiễm trùng, thông thường trong nồi lên men người ta thường giữ ở áp suất dư( khoảng 0,3-0,5 atm). Nếu áp suất trong nồi lên men cao sẽ ảnh hưởng tới sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật. #Độ ẩm( đối với việc nuôi trên môi trường xốp) Nuôi vi sinh vật trong môi trường xốp cần quan tâm đến lượng nước phù hợp( độ ẩm thường 60-70%). 14 15 2) Các công đoạn chính 2.2-Công đoạn lên men Phân loại các phương pháp lên men: +theo loại vi sinh vật đưa vào +theo vai trò của oxy +sản phẩm chính tạo ra cuối cùng +tính liên tục của quá trình lên men. II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp 16 2) Các công đoạn chính 2.3-Xử lý sau lên men Mục đích: thu hồi sản phẩm và các phế phụ phẩm có thể sử dụng cho các quá trình khác . Các bước xử lý: Tách chiết sản phẩm→ Làm sạch hóa học→ Cô đặc loại bỏ tạp chất→ Chế phẩm sạch. (Biền Văn Minh, 2008) II. Nội dung quy trình lên men công nghiệp Phụ thuộc vào bản chất hóa học của chúng mà lựa chọn phương pháp tách chiết phù hợp. Nếu các chất nằm trong dịch nuôi cấy thì lựa chọn các phương pháp chiết rút dung môi không hỗn hợp với nước, kết tủa thành dạng hợp chất không hòa tan hoặc hấp thụ bằng nhựa trao đổi ion;  còn các chất nằm trong tế bào vi sinh vật thì chọn phương pháp chiết rút dung môi hữu cơ. Trước khi tiến hành chiết rút các chất cần thiết từ dịch nuôi cấy, phải loại tế bào( sinh khối) của chủng sản xuát bằng phương pháp lọc hay ly tâm. 16 3.1.Sản xuất sinh khối 17 Sinh khối giàu Protein (protein đơn bào) Sinh khối nấm men Sinh khối cố định đạm Sinh khối vi khuẩn sinh độc tố (thuốc trừ sâu) Sinh khối vi sinh vật có hệ emzyme phân giải II. Nội dung 3) Các sản phẩm lên men quy trình lên men công nghiệp 17 18 Các chất trao đổi sơ cấp Các chất trao đổi thứ cấp Sản xuất enzyme Các sản phẩm thực phẩm Sản phẩm tái tổ hợp Chuyển hóa sinh học 3.2.Sản xuất các chất trao đổi của vi sinh vật II. Nội dung 3) Các sản phẩm lên men quy trình lên men công nghiệp 18 19 III. Kết luận Công nghệ lên men là công nghệ lâu đời nhất trong tất cả các quá trình công nghệ sinh học. Lên men có nhiều ứng dụng to lớn trong nhiều ngành và lĩnh vực khác nhau: thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, nông nghiệp, môi trường… Tóm lại, công nghệ lên men có sức sống, có tác dụng to lớn trong sản xuất công nghiệp hóa học đại quy mô. quy trình lên men công nghiệp 20 Tài liệu tham khảo Cơ sở công nghệ vi sinh vật và ứng dụng của PGS.TS Lê Gia Huy (chủ biên) Vi sinh vật học công nghiệp của Biền Văn Minh. http://kiemtailieu.com/ky-thuat-cong-nghe/tai-lieu/cong-nghe-len-men--3/93.html http://hoctp.com/cong-nghe-chuyen-nganh/qtrinh-thbi-len-men/qtlm01-khai-quat/kq0-gioi-thieu-len-men.html http://doc.edu.vn/tai-lieu/khao-sat-qua-trinh-len-men-acid-lactic-boi-lactobacillus-delbrueckii-52366/ http://hoctp.com/cong-nghe-chuyen-nganh/qtrinh-thbi-len-men/qtlm01-khai-quat/kq2-lich-su.html quy trình lên men công nghiệp 21 CẢM ƠN CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý LẮNG NGHE !!! quy trình lên men công nghiệp