KỸ THUẬT LÊN MEN

PHẠM TUẤN ANH

VI SINH – HOÁ SINH – SINH HỌC PHÂN TỬ

THÔNG TIN CHUNG

• Mã học phần: BF 4705

• Khối lượng: 3(2-2-0-6): lý thuyết 30 tiết + bài tập 30 tiết

Mô tả mục tiêu/Chuẩn đầu ra của học phần

Mục tiêu/CĐR [1]

M1

[2] Hiểu được các thiết bị, kỹ thuật và phương thức vận hành quá trình lên men trong công nghiệp

M1.1 Nắm rõ được quá trình lên men, cấu tạo cơ bản của một số thiết bị lên men

trong công nghiệp

M1.2 Hiểu và phân tích được các kỹ thuật lên men thông dụng trong công nghệ sinh

học

M1.3 Đề xuất được những điểm có thể cải tiến qui trình lên men

M2

Vận dụng kiến thức để thiết kế, tổ chức và điểu khiển một số quy trình lên men trong Công nghệ sinh học

M2.1 Thiết kế quy trình lên men từ chủng vi sinh vật M2.2 Điều khiển các thông số công nghệ nhằm tối ưu hoá sản phẩm

CÁCH ĐÁNH GIÁ HỌC PHẦN

Điểm thành phần Mô tả Tỷ trọng Phương pháp đánh giá cụ thể CĐR được đánh giá

[2] [3] [4]

[1] A1. Điểm quá trình (*) Đánh giá quá trình A1.1. Bản viết Kiểm tra tự luận M1, M2 [5] 30% 15%

A1.2 Seminar M1, M2

A2. Điểm cuối kỳ Thi cuối kỳ

A2.1. Bản viết Kiểm tra tự luận M1, M2 15% 70% 70%

NỘI DUNG

• C1. Đại cương về lên men vsv

• C2. Chuẩn bị giống cho quá trình lên men

• C3. Môi trường lên men

• C4. Kỹ thuật lên men bề mặt

• C5. Kỹ thuật lên men chìm

• C6. Các phương thức lên men

• C7. Nhiễm tạp và vệ sinh thiết bị lên men

• C8. Xu hướng phát triển của kỹ thuật lên men

TÀI LIỆU

• https://ocw.tudelft.nl/course-lectures/4-1-introduction-fermentation-technology/

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ LÊN MEN

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ LÊN MEN

1. Lịch sử phát triển về lên men

Đồ uống lên men: - 7000-6600 TCN tại

Trung Quốc

- 5000 TCN tại Ấn Độ - 3150 TCN tại Ai Cập cổ

đại

- 3000 TCN tại Babylon

- 1837: Charles Cagniard de la Tour, Theodor Schwann và Friedrich traugott Kutzing đã xuất bản các nghiên cứu về nấm men sinh sản bằng cách nảy chồi

- Schwann đã đun sôi dịch ép nhỏ để tiêu diệt nấm men và sau đó không quan sát thấy

hiện tượng lên men đến khi nấm men mới được bổ sung vào

- 1850-1860: Loui Paster đã lặp lại các thí nghiệm của Schwann và đã chỉ ra quá trình lên

men được khởi động bằng sinh vật sống v 1857: quá trình lên men lactic v 1960 : vi khuẩn gây vị chua của sữa v 1877: xuất bản “ Etude sur la biere”; định nghĩa quá trình lên men là “ life without

air”, sử dụng vsv để tạo ra các sản phẩm

-

- Buechner: chứng minh quá trình lên men là do các enzyme trong vi sinh vật -> đoạt giải Nobel hoá học vào năm 1907

2. Định nghĩa quá trình lên men

From Biochemical sense

Ø Fermentation will occur instead of cellular respiration due to the lack of oxygen

Ø Occurs in the cytoplasm of cells

TWO TYPES OF FERMENTATION

•

Lactic Acid

• Alcoholic

• Fermentation is the chemical transformation of organic substances into simpler compounds by the action of enzymes, complex organic catalysts, which are produced by microorganism such molds, yeast or bacteria.

Fermentation is a metabolic process that produces chemical changes in organic substrates through the action of enzymes

https://en.wikipedia.org/wiki/Fermentation

Fermentation technology is defined as field that involves the use of microbial enzymes for production of compounds that have application within the energy production, material, pharmaceutical industries, chemical, and food industries

2. Phân loại quá trình lên men

Fermentation

Solid State Fermentation (SSF)

Submerged Fermentation (SmF)

Fed-Batch Fermentation

Continous Fermentation

Batch Fermentation

Continous Fermentation

Batch Fermentation

i

ệ h g n g n ô c m ể đ c ặ Đ

Hình 1.2 Một số sản phẩm chứa bào tử Bacillus clausii

Chart Title

25

20

15

10

5

0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

BC12

BC11

BC10

3. Một số nghiên cứu về KT lên men

So sánh một số loại thuốc làm tan huyết khối

30%

Tử vong do bệnh tim mạch

30

25

20

Nattokinase b acillus Nattokinase Poly. (Nattokinase bacillus) Poly. (Nattokinase)

15

10

o á b i à b g n ợ ư l ố S

5

0 1990

1995

2000

2005

2010

2015

Năm

Tình hình nghiên cứu trên thế giới ScienceDirect.com

Duy trì lưu lượng cấp khí (Qa)

Duy trì năng lượng đầu vào trên một đơn vị thể tích (P/V)

Scale up

Duy trì tỷ lệ truyền nhiệt (Heat/volume)

Duy trì hệ số vận chuyển oxy (Kla)

Duy trì hiệu quả khuấy trộn

Duy trì tốc độ đầu cánh khuấy (Vs)

So sánh động học phát triển của chủng trong hai TBLM 2L và 10L

Đường cong sinh trưởng của chủng VSV

12

) l

Hoạt tính enzyme sau 12 giờ lên men (FU/mL)

150

10L

/

10

2L

8

100

i

) L / g (

i

6

50

ô h k i ố h k h n s g n ợ ư

4

m U F ( e s a n k o t t a N

R = 0.998

2

l i ố h K

0

0

2

4

6

8

10

12

Thiết bị 2L

Thiết bị 10L

Thời gian (h)

7,1

ACID_2L

) l

TBLM 2L

TBLM 10L

Tốc độ sinh trưởng

m

40

ACID_10L

7,05

pH_ 2L

0.0960

0.0956

𝜇!"# (h-1)

pH_ 10L

7

H p

20

6,95

( h c ị d L 1 o h c p ấ c t i x a g n ợ ư L

0

6,9

- Động học phát triển của 2TN tương đối giống nhau với độ tương quan lớn. - Mô hình dự đoán đúng quá trình sinh trưởng và phát triển của VSV.

0

12

2

4

8

10

6 Thời gian (h)

VSV phát triển trong môi trường lỏng

ì

c á i g m a t h n B

n e m n ê l

ị

b t ế i h T

VSV phát triển trong môi trường lỏng

LAG PHASE GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI

v Khi cấy vsv vào môi trường mới, do điều kiện thay đổi nên vsv cần thời gian để thích nghi

v Tế bào gần như chưa sinh sản, song quá

trình trao đổi chất tăng dần (vsv sinh tổng hợp các enzyme để thực hiện quá trình trao đổi chất)

v Mật độ vsv và nồng độ dinh dưỡng biến đổi

không nhiều

- Độ dài phụ thuộc vào các yếu tố

+ Tuổi giống: nếu giống VSV đang ở pha log thì pha thích nghi sẽ ngắn, nếu ở pha thích

nghi, cân bằng hoặc suy vong thì pha thích nghi sẽ dài

+ Thành phần môi trường -> môi trường lên men gần tương tự môi trường nhân giống + Điều kiện nuôi cấy

VSV phát triển trong môi trường lỏng

LOG PHASE: GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN

• VSV đã thích nghi với môi trường, phát triển mạnh mẽ

• Mật độ tế bào vsv tăng nhanh theo cấp số nhân, nồng độ

thức ăn giảm nhanh,

• Nồng độ các chất trao đổi bậc 1 tăng nhanh

= 𝜇X

𝑋 = 𝑋!𝑒"#

dx dt

• Tốc độ phát triển phụ thuộc vào loài vsv và điều kiện nuôi cấy

• Đến cuối giai đoạn này khi thức ăn cạn dần và nồng độ các chất

trao đổi tăng -> vsv phát triển chậm lại

Xác đinh tốc độ sinh trưởng riêng

005

004

004

003

003

002

0 0 6 D O

002

001

001

000

0

2

8

10

4 6 Thời gian (h)

thời gian OD 150 L 0 1 2 3 4 5 6 7 7,5 8 8,5

0,05 0,10 0,20 0,54 1,08 1,73 2,29 3,28 3,45 3,65 4,15

Xác đinh tốc độ sinh trưởng riêng

thời gian

ln(OD)

0 0 6 D O

005 004 004 003 003 002 002 001 001 000

OD 150 L 0,05 0,10 0,20 0,54 1,08 1,73 2,29 3,28 3,45 3,65 4,15

0 1 2 3 4 5 6 7 7,5 8 8,5

-3,10 -2,31 -1,61 -0,61 0,08 0,55 0,83 1,19 1,24 1,29 1,42

0

2

8

10

4 6 Thời gian (h)

002

𝑋 = 𝑋!𝑒"#

001

ln(𝑋) = ln(𝑋!) + ℳt

y = 0,4345x - 1,7653 R² = 0,9682

)

001

D O

000

( n L

0

2

4

6

8

-001

-001

Time (h)

VSV phát triển trong môi trường lỏng

STATIONARY PHASE: PHA ỔN ĐỊNH

• Thức ăn đã cạn kiện và nồng độ chất trao đổi tích luỹ cao

• + Số tế bào sinh ra ~ số tế bào chế đi -> mật độ vsv gần như không

= 0

dx dt

thay đổi

• + Một số sản phẩm trao đổi thứ cấp (bậc 2) được tổng hợp

VSV phát triển trong môi trường lỏng

DEATH PHASE: PHA SUY VONG

• Số lượng vsv giảm dần

• Tế bào tự phân giải

Sản phẩm tạo ra trong môi trường lỏng

Các giai đoạn Lên men vi sinh vât

Chủng vi sinh vật

Hoạt hoá & Nhân giống

Môi trường nhân giống

Nhân giống cấp 1, 2....

Lên men

Môi trường lên men

Thu hồi sản phẩm