Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology

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

CÔNG NGHỆ LÊN MEN FERMENTATION TECHNOLOGY

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

Tempeh

1 2 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Lên men là gì?

Quy trình lên men

• Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinh

giống và sản xuất

• Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men và các

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

thiết bị kèm theo

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

• Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để cung cấp chp các bồn len men trong giai đoạn sản xuất

• Bước 4: Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự phát

triển 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

3 4 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Quy trình lên men

• Quá trình lên men công nghiệp gồm 3

5 -10 mL

0,2 -1 L

công đoạn chính: – Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn lên

và khử trùng nguyên liệu và thiết bị men

10 -100 L

– Lên men trong bioreactor với điều kiện thích hợp để tạo nhiều sản phẩm mục tiêu – Sau lên men: thu sản phẩm lên men, tinh

chế, bảo quản sản phẩm.

100 -100.000

6 5 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Phân loại lên men

Quy trình lên men

Dựa vào cách cho cơ chất vào môi trường và thu hoạch sản phẩm mà người ta chia thành các dạng nuôi cấy:

— lên men theo mẻ

— lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất

— lên men liên tục

7 8 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Lên men theo mẻ

Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất

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 sinh vật sẽ phát triển theo một đồ thị điển hình gồm các giai đoạn:

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

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

• Để nâng cao năng suất mẻ lên men người ta bổ sung cơ chất vào trong quá trình lên men • 1/ Bổ sung từ từ các chất dinh dưỡng làm tăng thể tích dịch nuôi cấy, phương pháp này được sử dụng trong công nghiệp sản xuất men bánh mì.

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

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

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

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

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

9 10 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)

Lên men liên tục

Một số dạng bioreactor phổ biến

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

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

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

a)Biorector khuấy liên tục b)Bioreactor dạng tháp c)Bioreactor tuần hoàn d)Bioreactor yếm khí e)Bioreactor chứa bùn hoạt tính xử lý nước thải

11 12 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)

Cấu tạo cơ bản của nồi lên men

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

(cid:61553)Nồi lên men (cid:61553)Hệ thống thanh trùng (cid:61553)Bộ phận khuấy, cung cấp khí (cid:61553)Hệ thống giám sát – điều chỉnh nhiệt độ (cid:61553)Hệ thống giám sát – điều chỉnh pH (cid:61553)Hệ thống nạp mẫu (cid:61553)Hệ thống giám sát – phá bọt

• Trong thiết bị lên men, vi sinh vật được phân tán trong môi trường, khí O2 và các chất dinh dưỡng được tế bào hấp thu đồng thời các sản phẩm phụ như nhiệt độ, CO2 , các chất biến dưỡng không cần thiết phải được loại ra khỏi tế bào.

13 14 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Bioreactor

Hệ thống đầu tiên sử dụng các thiết bị thông khí và khuấy trộn cơ học điển hình là bồn lên men với hệ thống khuấy trộn ở trung tâm (centrally stirred tank reactor CSTR). Các thiết bị này có chứa một hoặc nhiều cánh khuấy.

Hình dạng của các bioreactor thay đổi nhanh chóng trong vài thập niên gần đây. Để nâng cao khả năng thông khí và khuấy trộn người ta sử dụng hai hệ thống cải tiến sau:

—Hệ thống sử dụng các thiết bị thông khí và khuấy trộn cơ học

Cánh khuấy giúp tăng O2 hòa tan, giúp các thành phần trong bồn lên men được phối trộn đều với nhau, tạo điều kiện cho chất dinh dưỡng và khí O2 thấm vào trong tế bào, cho phép trao đổi nhiệt tốt hơn.

—Hệ thống sử dụng hệ thống bơm cơ học hoặc bơm khí động học

15 16 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Bioreactor

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

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

Hệ thống thứ hai sử dụng hệ thống bơm cơ học hoặc bơm khí động học làm thiết bị phân phối khí trong bioreactor. Dung dịch trong thiết bị này di chuyển theo dòng tuần hoàn.

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

17 18 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA

Kiểm soát gián tiếp được thực hiện bằng cách lấy mẫu trong quá trình lên men và đem phân tích. Phương pháp này dùng để đo hàm lượng DNA, RNA, enzyme và sinh khối 19/09/2011 10:58 SA

Sản xuất trên quy mô lớn (scale up)

Hiệu quả lên men

— Để đạt hiệu quả lên men cao thì cần đáp ứng những

yêu cầu sau

— 1. Thiết bị lên men phải được thiết kế sao cho hạn

Trước hết các quá trình lên men công nghiệp được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, sau đó nâng lên mức sản suất thử (pilot) và cuối cùng là mở rộng sản xuất trên quy mô công nghiệp.

chế đến mức thấp nhất khả năng tạp nhiễm.

Các số liệu thu được từ quy mô phòng thí nhiệm được dùng làm cơ sở để thiết lập hệ thống pilot và hệ thống sản xuất công nghiệp.

— 2. Thể tích dịch nuôi cấy trong thiết bị phản ứng phải được 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 được phối trộn tốt

Bioreactor ở quy mô công nghiệp

Khi mở rộng qui mô sản xuất cần phải chú ý đến chế độ khuấy trộn, thông khí, kiểm soát các thông số sản xuất, đảm bảo điều kiện vô trùng trong quá trình sản xuất.

19 20 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Thiết kế môi trường cho quá trình lên men

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

Nguồn dinh dưỡng cơ bản cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật gồm nguồn carbon cung cấp năng lượng, nguồn nitơ, các thành phần vô cơ. Trong hầu hết các quá trình lên men nguồn carbon và nitơ thường được lấy từ hỗn hợp các cơ chất rẻ tiền hoặc phế phẩm từ các quá trình sản xuất. Quá trình thanh trùng cũng cần được quan tâm đặc biệt sao cho vừa đảm bảo tiêu diệt toàn bộ các vi sinh vật tạp nhiễm vừa hạn chế đến mức thấp nhất sự biến chất của các thành phần môi trường. Phương pháp thanh trùng theo mẻ đang được sử dụng rộng rãi

Nước thường là thành phần chủ yếu trong môi trường nuôi cấy tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật, nó ảnh hưởng đến sự phát triển của sinh vật cũng như sự hình thành sản phẩm. Nước là nguồn nguyên liệu đầu vào quan trọng nhất đối với nhiều quá trình lên men nên nó cần phải được kiểm soát cẩn thận.

21 22 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Ví dụ về lên men sử dụng cơ chất rắn

Lên men cơ chất rắn

Ví dụ

Cơ chất

Vi sinh vật liên quan

Rơm, phân bón

Sản phẩm từ nấm (Châu Âu và phương Đông)

Agaricus bisporus Lentinus edodes Volvariella volvaceae

Sauerkraut (dưa cải bắp Đức)

Cải bắp

Vi khuẩn lactic

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

Aspergillus oryzae

Nước tương

Đậu nành và lúa mì

• Thành phần vi sinh vật trong lên men cơ chất rắn có thể là

Tempeh

Rhizopus oligosporus

Đậu nành

chủng thuần hoặc hỗn hợp vi sinh vật.

Ontjom

Neurospora sitophila

Bánh đậu phộng ép

• Thực phẩm lên men cơ chất rắn:

Phó mát

Penicillium roquefortii

Sữa đông

– Ở phương Đông: nước tương, tempeh, sản xuất enzyme trên

Thiobacillus spp.

Tuyển khoáng

Quặng giá trị thấp

quy mô công nghiệp.

Aspergillus niger

Acid hữu cơ

Đường mía, mật rỉ đường

Enzymes

Aspergillus niger

Cám mì, …

– 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 và chất thải động vật.

Làm phân bón

Hỗn hợp vật liệu hữu cơ

Nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn

– Một số sản phẩm khác: ethanol, methane, sinh khối sinh vật có

thể ăn được (edible biomass).

Xử lý chất thải

Chất thải

Vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh

24 23 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Lên men cơ chất rắn

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

• Các loại bioreactor sử dụng trong lên men cơ chất rắn

Thuận lợi

Bất lợi

- không khuấy trộn

- khuấy trộn gián đoạn

- khuấy trộn liên tục

• Koji được sản xuất trong hệ thống nuôi cấy mẻ bán liên

tục hoặc liên tục.

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

• Một số quá trình lên men cơ chất rắn cần tiến hành tiền xử lý nguyên liệu thô để tăng giá trị dinh dưỡng và giảm kích thước của các thành phần (ví dụ như bột rơm, cắt nhỏ nguyên liệu thực vật)

Bioreactor thiết kế không hoạt động tốt. Sự giới hạn sản phẩm. Tốc độ phát triển của vi sinh vật thấp hơn.

Chi phí của tiền xử lý phải cân đối với giá trị sản phẩm cuối

Môi trường đơn giản, giá thành rẻ. Nguyên liệu có độ ẩm thấp tiết kiệm được không gian của bioreactor, lượng chất lỏng cần xử lý ít, nguyên liệu chứa ít vi sinh vật hơn, thường không cần khử trùng, dễ xử lý sau lên men. Nhu cầu thông khí có thể được đáp ứng bằng khuếch tán khí hoặc làm thông khí không liên tục. Năng suất sản phẩm có thể cao. Chi phí năng lượng thấp hơn so với bioreactor thùng khuấy.

25 26 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

• Đầu những năm 1950, virus bại liệt được nuôi cấy số lượng lớn trong các tế bào động vật được nuôi cấy để chế vaccine chống bại liệt.

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

Vaccine virus khác như quai bị, sởi, adenovirus

• Nuôi cấy tế bào mới được phân tách từ cơ thể động vật gọi là nuôi

cấy sơ cấp.

• Nửa cuối thế kỷ 20, tập trung vào cải tiến môi trường và quá trình nuôi cấy (cid:61664) để tạo ra tế bào có khả năng phát triển, tồn tại độc lập và có khả năng phân chia tích cực

Ở giai đoạn này,các tế bào thường ở dạng hỗn hợp không đồng nhất nhưng vẫn còn đại diện cho các loại tế bào mẹ và biểu hiện đặc tính đặc hiệu mô.

Các 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, acid

hữu cơ và các chất khác, đệm muối vô cơ.

• Sau vài lần nuôi cấy thứ cấp trên môi trường mới, các dòng tế bào sẽ chết hoặc biến đổi thành dòng tế bào có khả năng phân chia liên tục.

Vài loại môi trường còn chứa huyết thanh (5-20%) để cung cấp nhân tố tăng trưởng, nguyên tố vi lượng, chất béo,…

Các dòng tế bào này có nhiều thay đổi so với khi nuôi cấy sơ cấp về hình thái tế bào, tốc độ tăng trưởng gia tăng, gia tăng sự biến đổi nhiễm sắc thể,…

27 28 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

• Tế bào động vật có thể phát triển trong nuôi cấy huyền phù hoặc

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

trên bề mặt rắn. – Tế bào Hela (tế bào từ khối u ác tính ở người) có thể phát triển

• Kết hợp nuôi cấy bám và nuôi cấy huyền phù: sử dụng những hạt mang

cực nhỏ (microcarrier beads).

trong cả hai trạng thái.

– Tế bào nguyên bào lympho (lymphoblastoid) có thể phát triển

tắc: các

trong môi trường lỏng.

– Các tế bào lưỡng bội sơ cấp hoặc tế bào ban đầu chỉ phát triển

trên môi trường rắn.

microcarrier bead

Nguyên tế bào cần chỗ bám lên (anchorage-dependent cells) được gắn những hạt DEAE-Sephadex đặc biệt, các hạt này có khả năng lơ lửng trong huyền phù. Bằng cách này những lợi thế về kỹ thuật của bioreactor thùng khuấy có thể được sử dụng với những tế bào được neo lại.

• Nuôi cấy lớp đơn tế bào động vật bị ảnh hưởng bởi diện tích bề mặt có khả năng bám (cid:61664) phải tìm cách gia tăng diện tích bề mặt Nuôi cấy trong ống hoặc bình chứa quay tròn để bảo đảm sự trao đổi khí và chất dinh dưỡng.

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

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

Gần đây, sử dụng những vòng ống Teflon có khả năng cho khí đi qua, mỗi ống có diện tích bề mặt 10 000 cm2, có thể kết hợp 20 ống thành một thiết bị nuôi cấy.

29 30 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

• Ứng dụng:

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

• Những sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô có giá thành sản xuất

và chi phí nghiên cứu cao.

– 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 bào động vật (đạt giá trị gần 3 tỉ $ năm 2001, và hiện đang gia tăng).

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

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

Xương

Giá thể được tạo ra từ các vật liệu sinh học tự nhiên, tổng hợp hay bán tổng hợp. Cấu trúc của giá thể sẽ xác định hình dạng của mô.

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

PCL

Sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô có thể thay thế cho mô của người hiến tặng sử dụng trong cấy ghép và phẩu thuật tái tạo.

31 32 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Xương phát triển trên giá thể PCL

Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật

• Nuôi cấy tế bào thực vật hay cơ quan

trong vi nhân giống thực vật

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

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

vật

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

Bioreactor nuôi cấy rễ tơ nhân sâm Hàn Quốc

• Nuôi cấy huyền phù tế bào nhiều loài thực vật trong bioreactor để thu được lượng lớn sản lượng như nicotine, alkaloids và nhân sâm (ginseng),... (cid:61664) các quy trình như vậy được xem như là công nghệ sinh học tế bào thực vật. • Hiện tại người ta dự định lên men trên quy mô lớn để sản xuất thương mại các sản phẩm từ thực vật có giá trị cao như mao địa hoàng (digitalis), hoa nhài, bạc hà (spearmint), codeine,…

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

33 34 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Quá trình xử lý sau lên men

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

Phân tách

• Quá trình sau lên men liên quan đến tách chiết và tinh chế sản phẩm thành dạng thích hợp cho mục đích nhất định. • Các loại sản phẩm: toàn bộ tế bào, amino acid, vitamin, acid hữu cơ, dung môi, enzyme, vaccine, protein trị liệu, kháng thể đơn dòng.

• Các sản phẩm khác nhau đáng kể về kích thước phân tử,

Cô đặc

thành phần hóa học, yêu cầu về độ tinh sạch (cid:61664) cần các phương pháp khác nhau để thu hồi và tinh sạch (cid:61664) Thiết kế quá trình xử lý sau lên men phù hợp với từng sản phẩm để hiệu quả thu hồi sản phẩm cao.

Tinh chế

Lọc (Filtration) Ly tâm (Centrifugation) Tuyển nổi (Flotation) Phá vỡ (Disruption) Hòa tan (Solubilisation) Ly trích (Extraction) Xử lý nhiệt (Thermal processing) Lọc qua màng (Membrane filtration) Kết tủa (Precipitation) Kết tinh (Crystallisation) Sắc ký (Chromatography)

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

Biến đổi Làm khô

35 36 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Quá trình xử lý sau lên men

• Quá trình xử lý sau lên men phụ thuộc rất nhiều vào tính chất

vật lý và hóa học của sản phẩm.

• Cần hiểu biết về động học tăng trưởng và tạo sản phẩm của từng đối tượng (vi sinh vật, tế bào thực vật, động vật) để thiết kế 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 sản phẩm và giá thành sản phẩm.

• Sự phân tách các thành phần trong pha lỏng của dịch lên men có thể liên quan tới quá trình lắng, lọc, ly tâm hay phân tách bằng điện động học (cid:61664) mức độ cuối cùng của quá trình phụ thuộc vào mục đích sử dụng của sản phẩm cuối cùng. Khi sản phẩm đã được tách khỏi pha lỏng và pha rắn (như sinh khối vi sinh vật), dịch lên men sẽ được loại bỏ và xử lý.

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

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

• Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn tinh sạch sau lên men cần

có 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 hư

hỏng, tránh sự biến tính sản phẩm có chứa protein.

37 38 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Các sản phẩm lên men trong công nghiệp thực phẩm Các sản phẩm như thực phẩm và thức uống vẫn là sản phẩm 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 ngoại bào (như là amylases, pectinases và proteases) và enzyme nội bào (invertase, asparaginase, các enzyme cắt giới hạn, ...)

Các sản phẩm lên men trong công nghiệp thực phẩm Các sản phẩm từ sữa (phô mai, sữa chua), sản phẩm từ cá và thịt Thức uống (rượu, trà và cà-phê) Nấm men bánh mì (Baker’s yeast) Phụ gia thực phẩm (chất chống oxi hóa, chất tạo màu, gia vị,…) Các thực phẩm truyền thống (nước tương, tempeh, miso) Các sản phẩm từ nấm Amino acid, vitamin Các sản phẩm từ tinh bột Glucose, siro có hàm lượng fructose cao (high-fructose syrup) Các protein được cải biến, pectin

– Kháng thể đơn dòng, vaccine, protein dùng trong chữa

bệnh.

39 40 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Protein đơn bào (SCP)

Các sản phẩm lên men trong công nghiệp thực phẩm

• Sinh khối vi sinh vật được tổng hợp thương mại gọi là protein đơn bào (SCP - single cell protein) sử dụng các loài tảo đơn bào như Chlorella hoặc Spirulina được sử dụng cho người hoặc động vật, hoặc tế bào nấm men được sử dụng trong ngành công nghệ nước giải khát, sinh khối vi khuẩn cũng được sử dụng làm thức ăn cho động vật, sinh khối của Fusarium graminearum cũng được sử dụng cho mục đích này.

41 42 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

SCP từ các vật liệu chất thải hữu cơ

Protein đơn bào (SCP)

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

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

- Nuôi cấy vi sinh vật tận dụng những phụ phẩm của các ngành công nghiệp như bã mía, phụ phẩm dầu mỏ… để thu sinh khối như một nguồn cung cấp protein cho người và gia súc hay còn được gọi là protein đơn bào (SCP – single cell protein).

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

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

43 44 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

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

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

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

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

Nguồn cơ chất là tinh bột(cid:61614)tinh bột cần thiết phải bị thủy phân thành carbohydrate hòa tan (glucose) để kiểm soát sự lên men tốt

— 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 để ăn.

Ở những nghiên cứu ban đầu, sinh khối hệ sợi nấm của protein- nấm được sản xuất trong các thùng bioreactor có cánh khuấy 300l.

— Quan trọng nhất là thực phẩm cuối cùng giàu dinh

dưỡng

(cid:61614)Kiểm tra an toàn của sản phẩm trên phạm vi rộng một khoảng thời gian là trên 12 năm trên các động vật và con người (các tình nguyện viên), cho thấy là mycoprotein có thể được tiêu thụ, không có bất kì tác hại nào.

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

45 46 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

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

• Fusarium được cấy vào trong thiết bị lên men được tổ chức ở dạng một hệ thống nuôi cấy liên tục chạy rất nhiều tuần.

• Dưới những diều kiện phát triển tối ưu, thời gian nhân đôi của hệ sợi nấm là nằm giữa 3.5 và 4.1 cho phép sản xuất 300 đến 350 kg sinh khối trên giờ.

Sau đó sản xuất quy mô lớn(cid:61614)các tháp lên men chứa chu trình áp suất, V=40.000l (có khả năng sản xuất 1000 tấn mycoprotein mỗi năm ) lên men V=150 Gần đây là thiết bị 000l(cid:61614)nuôi cấy nấm trong các dòng chảy liên tục (có khả năng sản xuất 5000-7000 tấn mycoprotein mỗi năm ) Môi trường lỏng đã khử trùng được bơm liên tục vào trong thiết bi lên men. Môi trường chứa đường glucose, cùng với muối khoáng và yếu tố tăng trưởng giúp sợi nấm mọc dài hơn. Không khí khử trùng và amonia cũng được bơm vào. Nhiệt độ duy trì ở 30-32oC và sinh khối tăng gấp đôi sau mỗi 5 giờ.

47 48 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Sản xuất nấm ăn được

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

-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

Sinh khối sau đó được đưa vào xử lý nhiệt để giảm hàm lượng RNA(cid:61614)Sinh khối nấm được đun nóng lên đến 90(cid:61616)C và được cô đặc bằng ly tâm (cid:61614) bột nhão (cid:61614) định hình bởi kỹ thuật chế biến thực phẩm thành những hình dạng thích hợp cho những sản phẩm cuối, (cid:61614)thêm gia vị, màu sắc … QuornTM cung cấp một thực phẩm hàm lượng calo thấp (80kcal/100g), không có chất béo động vật và cholesterol và hàm lượng chất béo bão hòa thấp, chất xơ cao

• Lentinula là gỗ

49 50 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Nuôi nấm Agaricus

Nuôi nấm Lentinula edodes

Lentinula edodes là nấm được trồng phổ biến thứ hai trên thế giới và nó đã được trồng trên 2000 năm

Rơm được trộn với phân động vật và các hợp chất nitơ hữu cơ từ 1 đến 2 tuần (cid:61614)sản phẩm cuối là một cơ chất duy nhất thích hợp cho sự phát triển nhanh của Agaricus

Hiện nay trên 90% sản lượng của nó được sản xuất ở Nhật nhưng 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.

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

Phương pháp nuôi cấy truyền thống là cấy bào tử hay sợi nấm vào khúc gỗ (1.8m ×0.15 m) (cid:61614)để khúc gỗ tới tới 5 tháng để các nấm mọc lên (cid:61614) sau đó trong suốt thời gian đầu của mùa hè và mùa thu, các nấm sẽ phát triển mạnh và được thu hoạch.

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

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

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

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

51 52 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Chân thành cảm ơn

Nuôi nấm Lentinula edodes Gần đầy hơn, một phương pháp mới của việc nuôi cấy đã phát triển:mùn cưa được trộn với chất bổ sung ngũ cốc và được ép thành các gói nhựa lớn- sự sản xuất trên khúc gỗ nhân tạo (cid:61614)Các túi được khử trùng (cid:61614) sau đó cấy vô trùng các nấm thuần (cid:61614) sau môt khoảng thời gian phát triển sinh dưỡng, được cảm ứng để sản xuất nấm Cuối cùng, sau khi sản xuất nấm, các cơ chất đã dùng rồi có thể dùng làm thức ăn cho động vật hay làm phân sinh học.

Lentinula edodes và các loài nấm châu á khác là các loại nấm chữa bệnh

53 54 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA

Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology