chuong 2 cong nghe len men 1

1

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí1

CÔNG NGHỆ LÊN MENFERMENTATION TECHNOLOGY


• Công nghệ lên men, hay công nghệ quá trình sinh học(bioprocess technology), bắt nguồn từ việc sử dụng visinh vật để sản xuất các thực phẩm như phó mát, sữachua, các loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương,các loại thức uống (bia, rượu vang,..)…

• Các quá trình sinh học từng được tiến hành thủ công,nhưng ngày nay được tiến hành theo quy trình côngnghệ và được áp dụng kiến thức khoa học hiện đại.

Công nghệ lên men

Tempeh


Lên men là gì?

• Trong sinh hóa: lên men là quá trình phát sinh nănglượng trong đó chất hữu cơ vừa là chất cho điện tử vừalà chất nhật điện tử cuối cùng.

• Trong công nghiệp: lên men mô tả bất cứ quá trình sảnxuất sản phẩm bởi nuôi cấy sinh khối tế bào trong mộtthiết bị phản ứng sinh học (bioreactor)


Quy trình lên men

• Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinhgiống và sản xuất

• Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men và cácthiết bị kèm theo

• Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần đểcung cấp chp các bồn len men trong giai đoạn sảnxuất

• Bước 4: Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự pháttriển của giống để giống sản sinh sản phẩm

• Bước 5: Chiết và tinh chế sản phẩm• Bước 6: Xử lý những chất thải tạo ra trong quy trình

2


5 -10 mL

0,2 -1 L

10 -100 L

100 -100.000

Quy trình lên men


Quy trình lên men

• Quá trình lên men công nghiệp gồm 3công đoạn chính:– Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn

và khử trùng nguyên liệu và thiết bị lênmen

– Lên men trong bioreactor với điều kiệnthích hợp để tạo nhiều sản phẩm mục tiêu

– Sau lên men: thu sản phẩm lên men, tinhchế, bảo quản sản phẩm.


Quy trình lên men


Phân loại lên men

Dựa vào cách cho cơ chất vào môi trường và thuhoạch sản phẩm mà người ta chia thành các dạngnuôi cấy:

— lên men theo mẻ

— lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất

— lên men liên tục

3


Vi sinh vật được cấy vào nồi lên men sau khi môi trường đã được chuẩn bị.Trong điều kiện nuôi cấy vô trùng và đảm bảo các điều kiện thích hợp, vi sinhvật sẽ phát triển theo một đồ thị điển hình gồm các giai đoạn:

(1): pha lag trong pha này vi sinh vật chưa phânchia, tế bào thích nghi dần với điều kiện môi trường

(2): pha tăng tốc tạm thời trong giai đoạn này mậtđộ vi sinh vât bắt đầu tăng nhanh

(3): pha tăng trưởng hàm mũ, vi sinh vật tăngtrưởng với tốc độ cực đại

(4): tăng trưởng chậm, tốc độ tăng trưởng giảm sovới giai đoạn tăng trưởng cực đại

(5): pha ổn định, sự phát triển chậm lại hoặc dừnghẳn

(6): pha chết, tăng trưởng dừng hẳn, tế bào bị pháhủy

Lên men theo mẻ

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí10

Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất

• Để nâng cao năng suất mẻ lên men người tabổ sung cơ chất vào trong quá trình lên men

• 1/ Bổ sung từ từ các chất dinh dưỡng làmtăng thể tích dịch nuôi cấy, phương pháp nàyđược sử dụng trong công nghiệp sản xuấtmen bánh mì.

• 2/ Bổ sung môi trường mới vào bioreactorđồng thời rút ra một thể tích dịch nuôi cấy(không chứa tế bào) tương ứng, phươngpháp này được sử dụng trong nuôi cấy tế bàođộng vật

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí11

Môi trường luôn được cho vào đồng thời dịch lên men (môi trường, phụphẩm, vi sinh vật) được lấy ra với cùng một tốc độ, nhằm giữ thể tích dịchlên men luôn ổn định.

Phương pháp này cho phép vi sinh vật phát triển dưới các điều kiện ổnđịnh, sự tăng trưởng diễn ra với tốc độ ổn định, trong một môi trường ổnđịnh.

Ứng dụng trong một số trường hợp như sản xuất protein đơn bào, ethanolvà trong một số qui trình xử lý nước thải.

Lên men liên tục

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí12

Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)

a)Biorector khuấy liên tụcb)Bioreactor dạng thápc)Bioreactor tuần hoànd)Bioreactor yếm khíe)Bioreactor chứa bùn hoạttính xử lý nước thải

Một số dạng bioreactor phổ biến

4

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí13

• Bioreactor là thiết bị quan trọng để thực hiện cácquá trình sản xuất sinh học như lên men bia, acidhữu cơ, acid amin, kháng sinh, enzyme, vaccine,xử lý chất thải.

• Trong thiết bị lên men, vi sinh vật được phân tántrong môi trường, khí O2 và các chất dinh dưỡngđược tế bào hấp thu đồng thời các sản phẩmphụ như nhiệt độ, CO2 , các chất biến dưỡngkhông cần thiết phải được loại ra khỏi tế bào.

Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí14

Cấu tạo cơ bản của nồi lên men

Nồi lên menHệ thống thanh trùngBộ phận khuấy, cung cấp khíHệ thống giám sát – điềuchỉnh nhiệt độHệ thống giám sát – điềuchỉnh pHHệ thống nạp mẫuHệ thống giám sát – phá bọt

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí15

BioreactorHình dạng của cácbioreactor thay đổinhanh chóng trong vàithập niên gần đây. Đểnâng cao khả năngthông khí và khuấytrộn người ta sử dụnghai hệ thống cải tiếnsau:

—Hệ thống sử dụngcác thiết bị thông khívà khuấy trộn cơ học

—Hệ thống sử dụng hệthống bơm cơ họchoặc bơm khí độnghọc

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí16

Hệ thống đầu tiên sử dụng các thiết bịthông khí và khuấy trộn cơ học điển hìnhlà bồn lên men với hệ thống khuấy trộn ởtrung tâm (centrally stirred tank reactorCSTR). Các thiết bị này có chứa mộthoặc nhiều cánh khuấy.

Cánh khuấy giúp tăng O2 hòa tan, giúpcác thành phần trong bồn lên men đượcphối trộn đều với nhau, tạo điều kiện chochất dinh dưỡng và khí O2 thấm vàotrong tế bào, cho phép trao đổi nhiệt tốthơn.

Bioreactor

5

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí17

Hệ thống thứ hai sử dụnghệ thống bơm cơ học hoặcbơm khí động học làm thiếtbị phân phối khí trongbioreactor. Dung dịch trongthiết bị này di chuyển theodòng tuần hoàn.

Bioreactor

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí18

Đối với tất cả các quá trình lên men, yêu cầu quan trọng nhất làphải đảm bảo sao cho mọi thành phần tham gia phải được đặttrong điều kiện giống nhau. Các thông số lý hóa trong quá trình lênmen phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo cho mỗi tế bào đềuđược đặt trong điều kiện như nhau.

Để kiểm soát tốt quá trình lên men cần phải hiểu được trạng tháicủa quá trình và khả năng đáp ứng của vi sinh vật đối với các điềukiện khác nhau của môi trường. Các thông số trong quá trình lênmen có thể được kiểm soát một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.

Quá trình kiểm soát trực tiếp được thực hiện thông qua các sensor đặttrong bồn lên men. Phương pháp này thường được áp dụng với cácthông số như nhiệt độ, pH, hàm lượng O2, CO2 hòa tan.

Kiểm soát gián tiếp được thực hiện bằng cách lấy mẫu trong quá trìnhlên men và đem phân tích. Phương pháp này dùng để đo hàm lượngDNA, RNA, enzyme và sinh khối

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí19

Hiệu quả lên men

—Để đạt hiệu quả lên men cao thì cần đáp ứng nhữngyêu cầu sau

—1. Thiết bị lên men phải được thiết kế sao cho hạnchế đến mức thấp nhất khả năng tạp nhiễm.

—2. Thể tích dịch nuôi cấy trong thiết bị phản ứng phảiđược duy trì ổn định tránh thất thoát hoặc bay hơi.

—3. Mức độ O2 hòa tan phải được điều chỉnh phù hợp—4. Các thông số như nhiệt độ, pH cần được kiểm

soát chặt chẽ, các thành phần phản ứng phải đượcphối trộn tốt

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí20

Trước hết các quá trình lên mencông nghiệp được thực hiện ở quymô phòng thí nghiệm, sau đó nânglên mức sản suất thử (pilot) và cuốicùng là mở rộng sản xuất trên quymô công nghiệp.

Các số liệu thu được từ quy môphòng thí nhiệm được dùng làm cơsở để thiết lập hệ thống pilot và hệthống sản xuất công nghiệp.

Khi mở rộng qui mô sản xuất cầnphải chú ý đến chế độ khuấy trộn,thông khí, kiểm soát các thông sốsản xuất, đảm bảo điều kiện vô trùngtrong quá trình sản xuất. Bioreactor ở quy mô công nghiệp

Sản xuất trên quy mô lớn (scale up)

6

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí21

Việc chuẩn bị môi trường có vai trò rất quan trọng, nó lànền tảng cho toàn bộ quá trình lên men. Nếu môi trườngđược thiết kế không tốt sẽ dẫn hiệu quả lên men thấp, visinh vật tăng trưởng kém và năng suất tạo sản phẩmthấp

Nước thường là thành phần chủ yếu trong môi trườngnuôi cấy tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật, nó ảnhhưởng đến sự phát triển của sinh vật cũng như sự hìnhthành sản phẩm. Nước là nguồn nguyên liệu đầu vàoquan trọng nhất đối với nhiều quá trình lên men nên nócần phải được kiểm soát cẩn thận.

Thiết kế môi trường cho quá trình lên men

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí22

Nguồn dinh dưỡng cơ bản cần thiết cho sự phát triểncủa vi sinh vật gồm nguồn carbon cung cấp nănglượng, nguồn nitơ, các thành phần vô cơ. Trong hầuhết các quá trình lên men nguồn carbon và nitơ thườngđược lấy từ hỗn hợp các cơ chất rẻ tiền hoặc phế phẩmtừ các quá trình sản xuất.Quá trình thanh trùng cũng cần được quan tâm đặc biệtsao cho vừa đảm bảo tiêu diệt toàn bộ các vi sinh vậttạp nhiễm vừa hạn chế đến mức thấp nhất sự biến chấtcủa các thành phần môi trường.Phương pháp thanh trùng theo mẻ đang được sử dụngrộng rãi

Thiết kế môi trường cho quá trình lên men

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí23

Lên men cơ chất rắn

• Cơ chất sử dụng: hạt ngũ cốc, cám lúa mì, rơm, mùn cưahay gỗ dăm bào, và nhiều loại nguyên liệu từ động vật vàthực vật.Các hợp chất này là những phân tử polymer, không tan hayít tan trong nước, giá thành rẻ, dễ thu nhận; là nơi tập trungnguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển.

• Thành phần vi sinh vật trong lên men cơ chất rắn có thể làchủng thuần hoặc hỗn hợp vi sinh vật.

• Thực phẩm lên men cơ chất rắn:– Ở phương Đông: nước tương, tempeh, sản xuất enzyme trên

quy mô công nghiệp.– Ở phương Tây: thức ăn gia súc ủ chua (silage), nuôi trồng nấm,

sản xuất phó mát và sauerkraut, và làm phân bón từ thực vật vàchất thải động vật.

– Một số sản phẩm khác: ethanol, methane, sinh khối sinh vật cóthể ăn được (edible biomass).

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí24

Vi khuẩn, nấm và động vậtnguyên sinh

Chất thảiXử lý chất thải

Nấm, vi khuẩn, xạ khuẩnHỗn hợp vật liệu hữu cơLàm phân bón

Aspergillus nigerCám mì, …Enzymes

Aspergillus nigerĐường mía, mật rỉ đườngAcid hữu cơ

Thiobacillus spp.Quặng giá trị thấpTuyển khoáng

Penicillium roquefortiiSữa đôngPhó mát

Neurospora sitophilaBánh đậu phộng épOntjom

Rhizopus oligosporusĐậu nànhTempeh

Aspergillus oryzaeĐậu nành và lúa mìNước tương

Vi khuẩn lacticCải bắpSauerkraut (dưa cải bắp Đức)

Agaricus bisporusLentinus edodesVolvariella volvaceae

Rơm, phân bónSản phẩm từ nấm(Châu Âu và phương Đông)

Vi sinh vật liên quanCơ chấtVí dụ

Ví dụ về lên men sử dụng cơ chất rắn

7

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí25

Các quá trình bị hạn chế chủ yếudo khuôn chịu được độ ẩm thấp.Tạo ra lượng nhiệt trao đổi khitiến hành trên quy mô lớn.Khó kiểm soát chính xác độ ẩm,sinh khối, lượng O2, CO2

Bioreactor thiết kế không hoạtđộng tốt.

Sự giới hạn sản phẩm.

Tốc độ phát triển của vi sinh vậtthấp hơn.

Môi trường đơn giản, giá thành rẻ.

Nguyên liệu có độ ẩm thấp tiếtkiệm được không gian củabioreactor, lượng chất lỏng cần xửlý ít, nguyên liệu chứa ít vi sinh vậthơn, thường không cần khử trùng,dễ xử lý sau lên men.

Nhu cầu thông khí có thể được đápứng bằng khuếch tán khí hoặc làmthông khí không liên tục.

Năng suất sản phẩm có thể cao.

Chi phí năng lượng thấp hơn so vớibioreactor thùng khuấy.

Bất lợiThuận lợi

Thuận lợi và bất lợi của lên mencơ chất rắn so với lên men lỏng

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí26

• Các loại bioreactor sử dụng trong lên men cơ chất rắn- không khuấy trộn- khuấy trộn gián đoạn- khuấy trộn liên tục

• Koji được sản xuất trong hệ thống nuôi cấy mẻ bán liêntục hoặc liên tục.

• Một số quá trình lên men cơ chất rắn cần tiến hành tiền xửlý nguyên liệu thô để tăng giá trị dinh dưỡng và giảm kíchthước của các thành phần (ví dụ như bột rơm, cắt nhỏnguyên liệu thực vật)Chi phí của tiền xử lý phải cân đối với giá trị sản phẩmcuối

Lên men cơ chất rắn

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí27

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

• Đầu những năm 1950, virus bại liệt được nuôi cấy số lượng lớntrong các tế bào động vật được nuôi cấy để chế vaccine chống bạiliệt.Vaccine virus khác như quai bị, sởi, adenovirus

• Nửa cuối thế kỷ 20, tập trung vào cải tiến môi trường và quá trìnhnuôi cấy để tạo ra tế bào có khả năng phát triển, tồn tại độc lậpvà có khả năng phân chia tích cựcCác loại tế bào được nuôi cấy : người, chuột (rat, mice, hamster),khỉ, gia súc, cừu, ngựa và gần đây là cá và côn trùng.

• Thành phần môi trường: chất hữu cơ như amino acid, vitamin, acidhữu cơ và các chất khác, đệm muối vô cơ.Vài loại môi trường còn chứa huyết thanh (5-20%) để cung cấpnhân tố tăng trưởng, nguyên tố vi lượng, chất béo,…

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí28

• Trong môi trường dinh dưỡng thích hợp, tế bào động vật phát triểnnhư sinh vật đơn bào, sinh sản bằng cách phân đôi. Các tế bàođộng vật thiếu vách cứng bên ngoài tế bào nên dễ bị tổn thương dolực tác động và do thay đổi áp suất thẩm thấu.

• Nuôi cấy tế bào mới được phân tách từ cơ thể động vật gọi là nuôicấy sơ cấp.Ở giai đoạn này,các tế bào thường ở dạng hỗn hợp không đồngnhất nhưng vẫn còn đại diện cho các loại tế bào mẹ và biểu hiện đặctính đặc hiệu mô.

• Sau vài lần nuôi cấy thứ cấp trên môi trường mới, các dòng tế bàosẽ chết hoặc biến đổi thành dòng tế bào có khả năng phân chia liêntục.Các dòng tế bào này có nhiều thay đổi so với khi nuôi cấy sơ cấp vềhình thái tế bào, tốc độ tăng trưởng gia tăng, gia tăng sự biến đổinhiễm sắc thể,…


8

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí29

• Tế bào động vật có thể phát triển trong nuôi cấy huyền phù hoặctrên bề mặt rắn.– Tế bào Hela (tế bào từ khối u ác tính ở người) có thể phát triển

trong cả hai trạng thái.– Tế bào nguyên bào lympho (lymphoblastoid) có thể phát triển

trong môi trường lỏng.– Các tế bào lưỡng bội sơ cấp hoặc tế bào ban đầu chỉ phát triển

trên môi trường rắn.• Nuôi cấy lớp đơn tế bào động vật bị ảnh hưởng bởi diện tích bề

mặt có khả năng bám phải tìm cách gia tăng diện tích bề mặtNuôi cấy trong ống hoặc bình chứa quay tròn để bảo đảm sự traođổi khí và chất dinh dưỡng.Gần đây, sử dụng những vòng ống Teflon có khả năng cho khí điqua, mỗi ống có diện tích bề mặt 10 000 cm2, có thể kết hợp 20 ốngthành một thiết bị nuôi cấy.


19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí30

• Nuôi cấy huyền phù: sử dụng bioreactor dạng thùng khuấy với thể tíchkhá lớn dựa trên cơ sở bioreactor trong nuôi cấy mẻ từ nghiên cứu visinh vật.

• Kết hợp nuôi cấy bám và nuôi cấy huyền phù: sử dụng những hạt mangcực nhỏ (microcarrier beads).

Phần lớn quy trình nuôi cấy tế bào động vật liên quan đến nuôi cấyhuyền phù tế bào.

• Hầu như tất cả những quy trình sản xuất có năng suất cao đều sử dụngphương pháp nuôi cấy huyền phù theo mẻ hoặc nuôi cấy bán liên tục.


Nguyên tắc: các tế bào cần chỗ bám(anchorage-dependent cells) được gắn lênnhững hạt DEAE-Sephadex đặc biệt, các hạtnày có khả năng lơ lửng trong huyền phù. Bằngcách này những lợi thế về kỹ thuật củabioreactor thùng khuấy có thể được sử dụngvới những tế bào được neo lại. microcarrier bead

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí31

• Ứng dụng:– Sản xuất vaccine (bại liệt, quai bị, bệnh dại,…),– Nghiên cứu độc chất và thuốc nhằm giảm thử nghiệm trên động vật– Sản xuất các cơ quan nhân tạo và da– Sản xuất protein dùng cho chẩn đoán (kháng thể đơn dòng),

interferons, hormones, insulin,…Kháng thể đơn dòng là sản phẩm quan trọng nhất trong nuôi cấy tế bàođộng vật (đạt giá trị gần 3 tỉ $ năm 2001, và hiện đang gia tăng).

• Trong tương lai: cải tiến các dòng tế bào theo các hướng như gia tăngnăng suất, khả năng phát triển trên môi trường không có huyết thanh và giatăng phạm vi sản xuất các phân tử sử dụng trong trị liệu ở người.

• Các dòng tế bào động vật (tế bào buồng trứng chuột, tế bào ung thư tủysống ở chuột (mouse myeloma), tế bào võng mạc người, tế bào thận phôingười) là hệ thống chiếm ưu thế trong sản xuất protein tái tổ hợp ứng dụngtrong điều trị bởi vì chúng có thể tạo ra protein được gấp cuộn đúng, cókhả năng lắp ráp và biến đổi sau dịch mã.


19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí32

• Kỹ thuật chế tạo mô là một dạng của y học phục hồi, những sảnphẩm chính như da đang trở thành một phương pháp trị liệuthành công.

• Những sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô có giá thành sản xuấtvà chi phí nghiên cứu cao.

• Phần lớn những sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô ở người đượctiến hành bằng cách nuôi cấy tế bào từ chính bệnh nhân hoặcngười hiến tặng và sau đó cho chúng mọc trên một giá thể thíchhợp và kích thích các tế bào tăng sinh để hình thành các mô đặctrưng.


Giá thể được tạo ra từ các vật liệu sinh học tựnhiên, tổng hợp hay bán tổng hợp. Cấu trúccủa giá thể sẽ xác định hình dạng của mô.Sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô có thể thaythế cho mô của người hiến tặng sử dụngtrong cấy ghép và phẩu thuật tái tạo.

Xương phát triển trên giá thể PCL

Xương

PCL

9

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí33

Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật

• Nuôi cấy tế bào thực vật hay cơ quantrong vi nhân giống thực vật

• Nuôi cấy huyền phù tế bào nhiều loàithực vật trong bioreactor để thu đượclượng lớn sản lượng như nicotine,alkaloids và nhân sâm (ginseng),... các quy trình như vậy được xem như làcông nghệ sinh học tế bào thực vật.

• Hiện tại người ta dự định lên men trênquy mô lớn để sản xuất thương mạicác sản phẩm từ thực vật có giá trị caonhư mao địa hoàng (digitalis), hoanhài, bạc hà (spearmint), codeine,…

Bioreactor nuôi cấy rễ tơnhân sâm Hàn Quốc

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí34

Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật

• Phương pháp lên men theo cách tăng sinh tế bào thực vậttrong môi trường lỏng được khuấy trộn bắt nguồn từ kỹthuật nuôi cấy vi sinh vật.

• Tế bào thực vật phát triển chậm hơn so với tế bào vi sinhvật

• Đặc tính phổ biến của nuôi cấy tế bào thực vật: giai đoạntăng trưởng và giai đoạn tạo sản phẩm thường tách biệtnhau, đòi hỏi điều kiện cho tăng trưởng và tạo sản phẩmđược tối ưu hóa theo cách khác nhau.

• Quá trình nuôi cấy theo mẻ và fed-batch (lên men bổ sungdinh dưỡng) là những hệ thống bioreactor phổ biến nhất.

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí35

• Quá trình sau lên men liên quan đến tách chiết và tinh chếsản phẩm thành dạng thích hợp cho mục đích nhất định.

• Các loại sản phẩm: toàn bộ tế bào, amino acid, vitamin, acidhữu cơ, dung môi, enzyme, vaccine, protein trị liệu, khángthể đơn dòng.

• Các sản phẩm khác nhau đáng kể về kích thước phân tử,thành phần hóa học, yêu cầu về độ tinh sạch cần các phương pháp khác nhau để thu hồi và tinh sạch Thiết kế quá trình xử lý sau lên men phù hợp với từng sảnphẩm để hiệu quả thu hồi sản phẩm cao.

• Quá trình xử lý sau lên men là một công đoạn tốn nhiều chiphí trong toàn bộ quá trình sản xuất. Sự cải tiến quá trình xửlý sau lên men sẽ giúp tăng hiệu quả và giảm chi phí củatoàn bộ quy trình.

Quá trình xử lý sau lên men

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí36

Quá trình xử lý sau lên men chủ yếu liên quan đến việc phân táchdịch lên men trong bioreactor thành pha lỏng và pha rắn, và sau đó làcô đặc và tinh sạch sản phẩm.Quá trình xử lý sau lên men gồm nhiều giai đoạn

Biến đổiLàm khô

Kết tinh (Crystallisation)Sắc ký (Chromatography)

Tinh chế

Hòa tan (Solubilisation)Ly trích (Extraction)Xử lý nhiệt (Thermal processing)Lọc qua màng (Membrane filtration)Kết tủa (Precipitation)

Cô đặc

Lọc (Filtration)Ly tâm (Centrifugation)Tuyển nổi (Flotation)Phá vỡ (Disruption)

Phân tách


10

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí37


• Quá trình xử lý sau lên men phụ thuộc rất nhiều vào tính chấtvật lý và hóa học của sản phẩm.

• Sự phân tách các thành phần trong pha lỏng của dịch lên mencó thể liên quan tới quá trình lắng, lọc, ly tâm hay phân táchbằng điện động học mức độ cuối cùng của quá trình phụthuộc vào mục đích sử dụng của sản phẩm cuối cùng.Khi sản phẩm đã được tách khỏi pha lỏng và pha rắn (như sinhkhối vi sinh vật), dịch lên men sẽ được loại bỏ và xử lý.

• Các phương pháp được sử dụng tách riêng sản phẩm cuối baogồm: làm khô, chưng cất, lắng, lọc màng, sắc ký hấp thụ, sắc kýái lực, sắc ký trao đổi ion và sắc ký lọc gel,…

• Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn tinh sạch sau lên men cầncó mức độ ổn định nhất định để tiêu thụ trên thị trường.

• Cần cần thận để tránh sự nhiễm vi sinh vật và tránh sự hưhỏng, tránh sự biến tính sản phẩm có chứa protein.

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí38

• Cần hiểu biết về động học tăng trưởng và tạo sản phẩm củatừng đối tượng (vi sinh vật, tế bào thực vật, động vật) để thiếtkế môi trường lên men phù hợp, hiệu suất tạo sản phẩm cao.Thiết kế quá trình xử lý sau lên men phải phù hợp với từng sảnphẩm và giá thành sản phẩm.

• Quá trình xử lý sau lên men sẽ tiếp tục là một trong nhữngcông đoạn nhiều thử thách nhất của quá trình công nghệ sinhhọc.


19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí39

Các sản phẩm lên men trong côngnghiệp thực phẩm

Các sản phẩm từ sữa (phô mai, sữa chua), sản phẩm từ cávà thịtThức uống (rượu, trà và cà-phê)Nấm men bánh mì (Baker’s yeast)Phụ gia thực phẩm (chất chống oxi hóa, chất tạo màu, giavị,…)Các thực phẩm truyền thống (nước tương, tempeh, miso)Các sản phẩm từ nấmAmino acid, vitaminCác sản phẩm từ tinh bộtGlucose, siro có hàm lượng fructose cao (high-fructosesyrup)Các protein được cải biến, pectin

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí40

Các sản phẩm như thực phẩm và thức uống vẫn là sảnphẩm thương mại chính. Các sản phẩm mới từ vi khuẩn,động vật và tế bào thực vật đang tăng lên, gồm:– Các chất trao đổi sơ cấp như acid acetic và acid lactic,

glycerol, acetone, butyl alcohol, acid hữu cơ, amino acid,vitamin và các loại đường đa (polysaccharide).

– Các chất trao đổi thứ cấp như penicillin, streptomycin,cephalosporin, giberellin,…

– Enzymes sử dụng trong công nghiệp như enzyme ngoạibào (như là amylases, pectinases và proteases) vàenzyme nội bào (invertase, asparaginase, các enzyme cắtgiới hạn, ...)

– Kháng thể đơn dòng, vaccine, protein dùng trong chữabệnh.


11

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí41


19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí42

Protein đơn bào (SCP)

• Sinh khối vi sinh vật được tổng hợp thươngmại gọi là protein đơn bào (SCP - single cellprotein) sử dụng các loài tảo đơn bào nhưChlorella hoặc Spirulina được sử dụng chongười hoặc động vật, hoặc tế bào nấm menđược sử dụng trong ngành công nghệ nướcgiải khát, sinh khối vi khuẩn cũng được sửdụng làm thức ăn cho động vật, sinh khối củaFusarium graminearum cũng được sử dụngcho mục đích này.

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí43

Protein đơn bào (SCP)

- Nuôi cấy vi sinh vật tận dụng những phụphẩm của các ngành công nghiệp như bãmía, phụ phẩm dầu mỏ… để thu sinh khốinhư một nguồn cung cấp protein cho ngườivà gia súc hay còn được gọi là protein đơnbào (SCP – single cell protein).

- Công nghệ này ngày càng phát triển vàhướng tới việc tạo những vi sinh vật sảnxuất những chất cần thiết như acid amin,vitamin, acid nucleic…

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí44

SCP từ các vật liệu chất thải hữu cơNhững vật liệu mà tạo nên các chất thải hữu cơ thường nênđược tái chế trở lại hệ sinh thái, ví dụ chất thải carbohydarte,đường, tinh bột, nước sữa, mật đường; chất thảilignocellulose, rơm, bã mía,và cả phân xanh của động vật.

Nhiều chất thải được đề xuất là có thể được biến đổi thànhprotein mà động vật và có thể là con người cũng ăn được

Có hai cách tiếp cận nghiên cứu là nhận được sự công nhậnlà đã đóng góp to lớn vào việc dùng protein của con người:protein nấm (myco-protein) QuornTM và sản xuất nấm ănđược.

12

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí45

QuornTM myco-protein(protein đơn bào của công ty Marlow Foods Ltd có tên thương

mại là QuornTM myco-protein)

Ba tiêu chuẩn được xem xét cho thực phẩm protein đơnbào là :

— Nó phải “ngon” để ăn— Sản phẩm cuối cùng các cơ chất và chất trung gian

được dùng trong quá trình chế biến phải an toàn đểăn.

— Quan trọng nhất là thực phẩm cuối cùng giàu dinhdưỡng

Vi sinh vật là một nguồn SCP tuyệt vời nhưng chỉ có mộtsản phẩm SCP được chấp nhận để cho con người tiêuthụ đó là protein nấm.

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí46

Chủng F. venenatum PTA-2684 được nuôi cấy từ một mẫu đấttrồng lấy từ Buckinghamshire, United Kingdom, Marlow Foods Ltdchọn chủng này từ hơn 3000 sinh vật thu nhận trên khắp thế giới

Nguồn cơ chất là tinh bộttinh bột cần thiết phải bị thủy phânthành carbohydrate hòa tan (glucose) để kiểm soát sự lên men tốt

Ở những nghiên cứu ban đầu, sinh khối hệ sợi nấm của protein-nấm được sản xuất trong các thùng bioreactor có cánh khuấy300l.

Kiểm tra an toàn của sản phẩm trên phạm vi rộng một khoảngthời gian là trên 12 năm trên các động vật và con người (các tìnhnguyện viên), cho thấy là mycoprotein có thể được tiêu thụ, khôngcó bất kì tác hại nào.

Myco-protein là sinh khối tế bào được chếbiến từ nấm sợi Fusarium venenatum.

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí47

Sau đó sản xuất quy mô lớncác tháplên men chứa chu trình áp suất,V=40.000l (có khả năng sản xuất 1000 tấnmycoprotein mỗi năm )Gần đây là thiết bị lên men V=150000lnuôi cấy nấm trong các dòng chảyliên tục (có khả năng sản xuất 5000-7000tấn mycoprotein mỗi năm )Môi trường lỏng đã khử trùng được bơmliên tục vào trong thiết bi lên men. Môitrường chứa đường glucose, cùng vớimuối khoáng và yếu tố tăng trưởng giúpsợi nấm mọc dài hơn. Không khí khửtrùng và amonia cũng được bơm vào.Nhiệt độ duy trì ở 30-32oC và sinh khốităng gấp đôi sau mỗi 5 giờ.


19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí48

• Fusarium được cấy vào trong thiết bị lênmen được tổ chức ở dạng một hệ thốngnuôi cấy liên tục chạy rất nhiều tuần.

• Dưới những diều kiện phát triển tối ưu,thời gian nhân đôi của hệ sợi nấm là nằmgiữa 3.5 và 4.1 cho phép sản xuất 300 đến350 kg sinh khối trên giờ.


13

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí49

Sinh khối sau đó được đưa vào xửlý nhiệt để giảm hàm lượngRNASinh khối nấm được đunnóng lên đến 90C và được cô đặcbằng ly tâm bột nhão định hìnhbởi kỹ thuật chế biến thực phẩmthành những hình dạng thích hợpcho những sản phẩm cuối, thêmgia vị, màu sắc …QuornTM cung cấp một thực phẩmhàm lượng calo thấp (80kcal/100g),không có chất béo động vật vàcholesterol và hàm lượng chất béobão hòa thấp, chất xơ cao


19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí50

Sản xuất nấm ăn được

-Nuôi các nấm sinh bào tử có thể ăn được trên chất thải lignocellulose như gỗ và rơm

-Trong quá trình nuôi cấy cơ chất cho sự phát triển của :

• Agaricus bisporus là rơm đã lên men

• Lentinula là gỗ

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí51

Rơm được trộn với phân động vật và các hợp chất nitơ hữucơ từ 1 đến 2 tuần sản phẩm cuối là một cơ chất duy nhấtthích hợp cho sự phát triển nhanh của Agaricus

Không có một công thức phân trộn chuẩn nào, hiện tại chỉdựa vào sự sẵn có và giá của các vật liệu thô và các chất bổsung trong một khu vực trồng cụ thể.

Khi nấm sợi đã mọc khắp trong phân trộn đã được chuẩn bị(thường chứa trong các hộp bằng gỗ lớn), các điều kiện nhiệtđộ, độ ẩm của môi trường bị thay đổi và sau đó cấu trúc nấmlớn hình thành một cách nhanh chóng với một số lượng lớnhay gọi là “nảy mầm”.

Sau đó chúng được thu hoạch bằng cách cắt bằng tay vàkhoảng từ 7 đến 10 ngày sau đó sẽ tới một vụ khác. Thườngthì có tới 4 vụ trước khi quá trình chế biến kết thúc

Nuôi nấm Agaricus

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí52

Nuôi nấm Lentinula edodesLentinula edodes là nấm được trồng phổ biến thứ hai trên thếgiới và nó đã được trồng trên 2000 năm

Hiện nay trên 90% sản lượng của nó được sản xuất ở Nhậtnhưng sự nuôi cấy đã mở rộng đến Trung quốc, hàn quốc,singapore, đài loan, sri lanka và gần đây là sang Mỹ và châu âu.

Phương pháp nuôi cấy truyền thống là cấy bào tử hay sợi nấmvào khúc gỗ (1.8m ×0.15 m) để khúc gỗ tới tới 5 tháng để cácnấm mọc lên sau đó trong suốt thời gian đầu của mùa hè vàmùa thu, các nấm sẽ phát triển mạnh và được thu hoạch.

Việc sản xuất theo mùa này được tăng cường bởi sự sấy khônấm để có thể tiêu thụ quanh năm.

Nấm thu toàn bộ chất dinh dưỡng từ lignoceluose của khúc gỗ.

14

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí53

Gần đầy hơn, một phương pháp mới của việc nuôi cấy đã pháttriển:mùn cưa được trộn với chất bổ sung ngũ cốc và được épthành các gói nhựa lớn- sự sản xuất trên khúc gỗ nhân tạo Cáctúi được khử trùng sau đó cấy vô trùng các nấm thuần saumôt khoảng thời gian phát triển sinh dưỡng, được cảm ứng để sảnxuất nấmCuối cùng, sau khi sản xuấtnấm, các cơ chất đã dùng rồicó thể dùng làm thức ăn chođộng vật hay làm phân sinhhọc.

Lentinula edodes và các loàinấm châu á khác là các loạinấm chữa bệnh

Nuôi nấm Lentinula edodes

19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí54

Chân thành cảm ơn

chuong 2 cong nghe len men 1

Documents