Đại cương lên men
Định nghĩa lên men
Lên men là một phản ứng hóa học được thực hiện bởi vi sinh vật, nhờ quá trình này mà các phân tử carbohydrat như tinh bột hoặc glucose được phân cắt và phá hủy. Lên men có rất nhiều lợi ích cho sức khỏe con người và được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm như nước uống có cồn, bánh mì, sữa chua, dưa chua, giấm táo… Nó cũng được sử dụng trong công nghiệp như sản xuất ethanol như một nguồn năng lượng sinh học.
Ưu nhược điểm công nghệ lên men
Ưu điểm :
- Sử dụng các vi sinh vật với kích thước nhỏ, tỉ lệ bề mặt trên thể tích lớn, do đó hấp thu dược chất rất nhanh.
- Các vi sinh vật có khả năng sinh trưởng mạnh chu kỳ ngắn do dó tốc độ đồng nhất hóa cao, sinh sản nhanh, nhanh sản xuất sản phẩm.
- Dễ thích nghi, do vi sinh vật dễ dàng tiếp nhận một vật liệu di truyền nào đó để thích nghi với điều kiện môi trường sống.
- Sản xuất ít phụ thuộc môi trường thời tiết.
- Tốn ít diện tích (chỉ cần một nồi lên men).
- Tận dụng được các phế phẩm và nguyên liệu nuôi cấy. Như các vi tảo có khả năng sử dụng các nguyên liệu từ dầu mỏ, khí CO2…
- Phát triển được ở nhiệt độ và áp suất thường.
- Có thể thực hiện được nhiều phản ứng hóa sinh khác nhau, do một vi sinh vật có chứa rất nhiều enzym.
- Như đã đề cập, các vi sinh vật rất dễ tiếp nhận các vật liệu di truyền mới, cũng như dễ dàng thực hiện các phương pháp biến đổi gen như đột biến, tái tổ hợp để tăng sản lượng hoặc biến đổi các sản phẩm cuối.
- Có khả năng tạo ra sản phẩm đối quang mong muốn và có hoạt tính- những sản phẩm này rất khó để thực hiện bằng các phản ứng hóa học. Điện hình là việc sản xuất các acid amin như glutamic, aspamat…
Nhược điểm :
- Do dễ dàng thay đổi kiểu gen, nên các vi sinh vật này cũng rất dễ biến dị và hồi biến tính hoang dại.
- Có thể gây ra các độc tính cho người dùng.
- Quá trình sản xuất phức tạp và đòi hỏi độ vô trùng cao. Chỉ cần nhiễm một vi khuẩn hay một virus khác, nguy cơ hỏng quá trình lên men là rất cao do các tạp nhiễm, các độc tố mà vi sinh vật tạp nhiễm này gây ra.
- Cần tiến hành bảo quản và giữ giống trong thời gian dài, tăng chi phí.
Các phương pháp lên men
Theo điều kiện hô hấp
Dựa vào đặc điểm hô hấp của vi sinh vật để chọn điều kiện nuôi cấy thích hợp:
- Lên men kị khí: áp dụng cho với các vi sinh vật kỵ khí (không tiếp xúc với O2); quá trình nuôi cấy này không cần cung cấp không khí cho vi khuẩn. Có thể thực hiện nên men trên môi trường lỏng hoặc bán rắn. Một số ví dụ của quá trình lên men kị khí như lên men rượu, lên men vitamin B12, muối dưa.
- Lên men hiếu khí: áp dụng với vi sinh vật hiếu khí, quá trình nuôi cấy cần cung cấp không khí sạch có O2 để vi sinh vật hô hấp. Môi trường lên men có thể là lỏng hoặc bán rắn. Các sản phẩm được sản xuất từ lên men hiếu khí như dấm, mốc tương, sản xuất penicillin từ nấm mốc.
- Lên men vi hiếu khí: áp dụng đối với các vi sinh vật vi hiếu khí, cần cấp khí nhẹ trong quá trình lên men. Thực hiện nuôi cấy các vi sinh vật này trong môi trường lỏng. Ví dụ điển hình của quá trình này là sản xuất vitamin B12 (cần cấp khí giai đoạn sau để vi sinh vật có O2 tổng hợp sản phẩm).
Theo hình thức thiết bị
Dựa vào bề dày và sức khỏe thể chất của môi trường tự nhiên để phân loại :
Lên men mặt phẳng dịch thể : vận dụng cho nuôi cấy những vi sinh vật hiếu khí, thực thi ở môi trường tự nhiên lỏng, bề dày môi trường tự nhiên nuôi cấy mỏng dính, mặt phẳng tiếp xúc với không khí rộng. Trong quy trình nuôi cấy cần cấp khí vô trùng và làm mát .
Ưu điểm : đơn thuần, dễ thực thi, khi có sự cố ở một vài thiết bị nuôi cấy hoàn toàn có thể thuận tiện vô hiệu .
Nhược điểm :
- Khó giữ được độ vô trùng do bề mặt thoáng của nó rất rộng, cấp khí trong quá trình nuôi cấy nên rất khó để kiểm soát.
- Khó cơ giới hóa và tự đồng hóa.
- Tốn diện tích do lên men bề mặt có bề mặt thoáng lớn và có bề dày môi trường nhỏ, nên cần không gian rộng để xếp các dụng cụ nuôi cấy này.
- Tốn nhân công do cơ giới hóa kém, nhiều bình nuôi cấy khác nhau nên cần nhiều nhân lực để kiểm soát và vận hành.
- Sản phẩm thu được không đồng nhất, do được nuôi cấy trên nhiều thiết bị khác nhau, khó kiểm soát được độ đồng đều về hàm lượng vi sinh vật, dinh dưỡng, không khí và sản phẩm tạo thành giữa các thiết bị.
Lên men mặt phẳng rắn : vận dụng với những vi sinh vật hiếu khí. Môi trường nuôi cấy ở dạng lỏng hoặc bán rắn. Có thể sử dụng những chất dinh dưỡng không tan như tinh bột và sử dụng những chất làm tăng độ xốp từ những loại hạt, mảnh, phế liệu hữu cơ, bã mía. Trong quy trình nuôi cấy, thứ nhất cần hồ hóa tinh bột ( nhiệt độ từ 60 đến 75 % ), bổ trợ những chất dinh dưỡng, những chất khoáng và vi lượng … Bề mặt rắn có ưu điểm rẻ hơn mặt phẳng lỏng do những thành phần dinh dưỡng rẻ hơn, tận dụng được nhiều nguyên vật liệu phế thải. Trong quy trình nuôi cấy cần phân phối không khí vô trùng như với lên men mặt phẳng dịch thể .
Ưu điểm :
- Tiến hành đơn giản, có thể tiến hành nuôi cấy đồng thời nhiều vi sinh vật (khác biệt với dịch thể) (ví dụ lên men rượu, bột men rắc lên cơm là hỗn hợp nhiều vi sinh vật nuôi cấy, các vi sinh vật trong môi trường sẽ phân giải tinh bột để tạo thành các glucose, sau đó nấm men mới sử dụng để tạo ethanol.
- Dễ tiến hành sử lý cục bộ: trong cùng bình nuôi cấy hoặc giữa các bình. Do bề mặt rắn lên dễ dàng khu trú những vùng bị hỏng và loại đi không để chúng lan ra toàn bộ thiết bị.
Nhược điểm : cũng giống như thiết bị lên men mặt phẳng dịch thể, giải pháp này khó giữ được độ vô trùng ( do diện tích quy hoạnh tiếp xúc rộng ), khó cơ giới hóa tự động hóa và tốn diện tích quy hoạnh nhân công .
Ở dưới thiết bị nuôi cấy, vi sinh vật khó hô hấp, tác động ảnh hưởng đến nuôi cấy vi sinh vật hiếu khí do đó thiên nhiên và môi trường cần xốp và có bề dày thích hợp. Hiện nay có 1 số ít cá tiến được vận dụng như thiết bị nuôi cấy có thêm cánh hòn đảo hoặc bị quay để tăng quy trình hòn đảo trộn giúp vi sinh vật tiếp xúc với không khí và dinh dưỡng tốt hơn nhưng vẫn phải bảo vệ điều kiện kèm theo vô trùng tốt .
Lên men chìm : triển khai nuôi cấy vi sinh vật trong môi trường tự nhiên lỏng, thiên nhiên và môi trường nuôi cấy dày. Chúng hoàn toàn có thể vận dụng cho cả lên men vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí .
Ưu điểm :
- Áp dụng được gần như mọi loại vi sinh vật. Với vi sinh vật hiếu khí tiến hành cấp khí vào môi trường lỏng (nhưng là từ dưới lên chứ không phải từ bề mặt như 2 phương pháp trên) còn vi sinh vật kỵ khí thì không cần.
- Tốn ít diện tích: vi sinh vật chỉ cần nuôi cấy trong một thiết bị với thể tích lớn, diện tích mặt thoáng nhỏ. Do chỉ cần một thiết bị, mặt thoáng nhỏ nên việc kiểm soát độ vô trùng tốt hơn, dễ dàng kiểm soát được toàn bộ quy trình.
- Dễ dàng kiểm soát bằng các máy móc và thiết bị, do đó ít cần sử dụng nhân lực hơn.
- Đảm bảo độ đồng nhất của sản phẩm, (do chúng cùng được thu từ một thiết bị).
Nhược điểm : thiết bị đắt tiền, phức tạp, cần có cán bộ trình độ quản lý và vận hành. Do là môi trường tự nhiên lỏng và chỉ có một thiết bị, nên nếu xảy ra sự cố như nhiễm khuẩn, vi sinh vật bị chết hoàn toàn có thể sẽ làm hỏng cả lô loại sản phẩm .
Các thiết bị sử dụng trong lên men mặt phẳng như bình nón ( với quy mô phòng thí nghiệm ) đến những bình fermentor trong quy mô công nghiệp .
Theo cách tiến hành
Tùy thuộc chính sách cung ứng nguyên vật liệu và thu mẫu sản phẩm mà có những chiêu thức khác nhau .
Lên men mẻ gián đoạn : giải pháp này thực thi theo những lô, mẻ. Chỉ cung ứng dinh dưỡng trước nuôi cấy và thu loại sản phẩm ở cuối quy trình tiến độ. Khi được nuôi cấy trong những điều kiện kèm theo thích hợp như dinh dưỡng, nhiệt độ, nhiệt độ, những vi sinh vật sẽ tăng trưởng theo đúng chu kỳ luân hồi gồm 5 tiến trình từ tiềm tàng, nhân lên chậm, sinh trưởng mạnh ( logarit ), quy trình tiến độ cân đối và suy vong. Do hầu hết những thông số kỹ thuật tiến trình không biến hóa, nên giải pháp này rất thích hợp với những phẩm chuyển hóa bậc 2 ( đồi hỏi điều kiện kèm theo khắt khe và không thay đổi, nếu biến hóa điều kiện kèm theo thiên nhiên và môi trường sẽ không tạo ra mẫu sản phẩm nữa ) .
Ưu điểm : ngân sách bắt đầu thấp, thuận tiện nâng quy mô bằng những quy mô toán học. Có thể triển khai sản xuất với quy mô lớn với nồi lên men trên 1000 lít ) .
Nhược điểm :
- Hiệu suất thấp hơn các phương pháp khác, do vi sinh vật sẽ phát triển theo đúng chu kỳ sinh trưởng, sản phẩm chỉ thu trong một thời điểm nhất định.
- Không lý tưởng với các sản phẩm bậc 1
- Có sản xuất theo các lô mẻ, nên nếu có thay đổi nhỏ về các thông số và môi trường nuôi cấy, sẽ rất khó để bảo đồng nhất giữa các mẻ.
- Cần tiến hành khử trùng ở môi mẻ, lô sản xuất, khử trùng nhiều lần như vậy sẽ khiến các bộ phận như cảm biến oxy, đo pH, nhiệt kế, áp suất thẩm thấu nhanh lão hóa, dẫn đến tăng chi phí sản xuất.
Lên men bán liên tục : định kỳ bổ trợ chất dinh dưỡng và thu mẫu sản phẩm không chứa tế bào hoặc thu loại sản phẩm cuối quá trình. Quy trình này được vận dụng trong sản xuất những loại sản phẩm ở đầu cuối hoặc những mẫu sản phẩm bậc 1. Việc bổ trợ môi trường tự nhiên dinh dưỡng định kỳ gây đổi khác thể tích môi trường tự nhiên nuôi cấy, đổi khác những đặc thù về nhiệt độ, dinh dưỡng nên không thích hợp với những mẫu sản phẩm bậc 2 .
Ưu điểm :
- Việc bổ sung dinh dưỡng giúp giảm độ nhớt môi trường nuôi cấy làm thuận tiện cho các quá trình chuyển khối và vi sinh vật hấp thu dinh dưỡng tốt hơn.
- Môi trường được pha loãng còn làm giảm ức chế của tế bào với các sản phẩm phụ hoặc bản thân sản phẩm chính của nó. Ví dụ, trong quá trình lên men rượu nấm men bị ức chế ethanol, do đó, chỉ một thời gian, khi nồng độ ethanol đã đạt quá mức làm nấm men không thể tiếp tục sản xuất ethanol được nữa dù môi trường nuôi cấy vẫn rất dồi dào, dẫn đến làm giảm hiệu suất quá trình. Còn trong lên men bán liên tục, môi trường được pha loãng bởi dinh dưỡng và thu sản phẩm định kỳ, giúp nấm men sản xuất ethanol một cách liên tục.
Nhược điểm :
- Như đã nói ở trên, việc bổ sung sẽ làm không ổn định môi trường nuôi cấy cả về dinh dưỡng và sản phẩm. Do đó, cần tiến hành kiểm soát và lấy mẫu thường xuyên để kiểm tra nồng độ cơ chất và sản phẩm tạo thành.
- Việc cấp dinh dưỡng và thu sản phẩm định kỳ cũng làm tăng nguy cơ nhiễm khuẩn trong môi trường nuôi cấy, tăng rủi ro nhiễm khuẩn.
Phương pháp lên men liên tục :
Đặc điểm : quy trình này đặc trưng bởi một cân đối động giữa việc cấp dinh dưỡng vào và thu mẫu sản phẩm một cách liên tục. Do đó, thiên nhiên và môi trường nuôi cấy có thể tích không biến hóa. Việc đổi khác này, cũng giống như lên men bán liên tục, gây ra những đổi khác sinh lý của vi sinh vật. Nhờ việc cung ứng dinh dưỡng và thu mẫu sản phẩm liên tục, vi sinh vật sẽ có năng lực lê dài được pha cân đối, điều này rất thuận tiện để thu được nhiều loại sản phẩm. Phương pháp này cũng chỉ cần thực thi với những nồi lên men nhỏ quy mô dưới một 1000 Lit trong sản xuất công nghiệp .
Ưu điểm :
- Như đã nói ở trên, phương pháp này kéo dài pha cân bằng, do đó tế bào lấu già hóa hơn.
- Trạng thái sinh lý của tế bào đồng nhất hơn lên men mẻ, tạo được sản lượng ổn định hơn.
- Do kéo dài được pha cân bằng, quá trình sản xuất sản phẩm sẽ được kéo dài hơn, do đó giảm được chi phí nhân lực và các khâu nhân giống. Ngoài ra, thiết bị lên men nhỏ hơn và sản phẩm thu dần dần nên giảm độ phức tạp cho quá tiệt trùng và thu sản phẩm.
- Do được tiến hành liên tục, dinh dưỡng và sản phẩm cũng như các điều kiện khác được giữ hằng định, nên tính đồng nhất của sản phẩm thu được sẽ đồng nhất hơn lên men nhiều lô mẻ.
- Lượng dinh dưỡng được sử dụng nhiều hơn (do kéo dài pha cân bằng), tổng lượng sản phẩm cũng thu được nhiều hơn giúp hiệu suất của quy trình tăng.
Nhược điểm :
- Do liên tục được lấy ra và pha loãng bởi môi trường, nên sản phẩm thu được không phải là dạng đặc nhất
- Tương tự như lên men bán liên tục, việc cấp và thu sản phẩm giữa quá trình nuôi cấy làm tăng nguy cơ nhiễm khuẩn. Do đó, cần tăng kiểm soát quy trình dẫn đến tăng chi phí.
- Làm thay đổi sinh lý tế bào (kéo dài pha cân bằng), do đó cần tính toàn lại các thống số và chất lượng giữa các đợt lên men.
- Việc thu sản phẩm định kỳ cũng là một nguy cơ gây thất thoát giống và sinh khối.
- Quy trình này chưa được phổ biến trong công nghiệp và gây khó khăn khi năng cấp quy mô sản xuất.
Thiết bị trong quá trình lên men
Theo hình thức, thiết bị được chia thành thiết bị lên men mặt phẳng ( dạng rắn hoặc lỏng ) và thiết bị lên men chìm .
Thiết bị lên men mặt phẳng dịch thể : thưởng sử dụng những lọ hở hoặc kín. Ưu điểm của nó là cấu trúc đơn thuần, rẻ. Tuy nhiên, năng lực bảo vệ vô trùng kém, không như nhau lô mẻ và tốn diện tích quy hoạnh. Penicillin trước đây được sản xuất nhờ thiết bị này .
Thiết bị lên men mặt phẳng bán rắn : sử dụng những thiết bị dạng khay, thùng quay hoặc đĩa quay .
- Dạng khay: cũng tương tự như các chai lọ, nó cần nhiều diện tích. Trong môi trường nuôi cấy cần có thêm chất tạo xốp để vi sinh vật tiếp xúc oxy.
- Dạng thùng quay: là biến thể của dạng khay. Chuyển động quay mà môi trường được phân tán đồng đều, do đó vi sinh vật phát triển tốt hơn, tiếp xúc nhiều với dinh dưỡng và không khí. Trong thùng quay có thể lắp thêm các cánh đảo, để tăng khả năng đảo trộn. Các thùng quay còn ưu điểm là có thể xếp chồng các khay lên nhau giúp giảm diện tích môi trường nuôi cấy.
Thiết bị lên men chìm :
- Với quy mô phòng thí nghiệm có thể sử dụng bình nón: Bình nón có ưu điểm là phần dưới có kích thước lớn hơn do đó dễ dàng cung cấp oxy cho vi sinh vật hô hấp, và khi lắc, oxy dễ dàng hòa tan vào môi trường.
- Với quy mô công nghiệp sử dụng thiết bị fermentor: thiết bị này được làm từ thủy tinh và thép không gỉ do đó rất dễ vệ sinh và hạn chế được vi sinh vật bám vào gây tạp nhiễm. Thiết bị này có nhiều loại kích thước để phù hợp với từng quy mô nghiên cứu hay quá trình nhân giống (từ 5- 10 lít: thích hợp với phòng thí nghiệm; từ 50 đến 500 lít: thích hợp với quy mô pilot; và từ 1000 lít trở lên có khi đến hàng triệu lít…phù hợp với quy mô công nghiệp). Trong thiết bị này có bộ phận khuấy trộn, hệ phân tán khí vô trùng, hệ thống áo nước bên ngoài (duy trì nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật phát triển), hơi nước để tiệt trùng… nên rất thuận tiện cho quá trình nuôi cấy và kiểm soát trong quy trình.
Các giai đoạn quá trình lên men
Quá trình lên men gồm 3 quy trình tiến độ chính là trước lên men, trong lên men và sau lên men .
Trước lên men
Cần thực hiện việc chuẩn bị giống, chuẩn bị môi trường dinh dưỡng, thiết bị; và tiến hành khử trùng.
Chuẩn bị giống : giống phải đạt những tiêu chuẩn để triển khai lên men. Việc này phải tùy vào mục tiêu sản xuất mẫu sản phẩm cuối như protein đơn bào, probiotic, acid amin, …. Nhưng chúng đều phải có nguồn gốc rõ ràng và phải được phân loại đến cấp chủng .
Giữ giống : giống chưa nuôi cấy cần được giữ trong thiên nhiên và môi trường thạch, trong cát đất, hạt ngũ cốc, silicagel, đông khô … Các giải pháp này phải bảo vệ giữ được hoạt tính và không làm chết vi sinh vật .
Hoạt hóa giống : cần triển khai kiểm tra độ thuần khiết và kiểm tra năng lực hồi biến tính hoang dại. Sau đó triển khai kích thích tế bào vi sinh vật .
Chú ý : không được sử dụng giống từ một nồi lên men đã kết thúc lên men để làm giống cho mẻ sản xuất tiếp theo do những vi sinh vật này đã già ( đến pha suy tàn ), năng lực sinh trưởng cũng như sinh sản phẩm là rất thấp .
Môi trường dinh dưỡng : nhu yếu phải phân phối đủ chất dinh dưỡng cho nhu yếu sinh trưởng, tăng trưởng và tạo mẫu sản phẩm của vi sinh vật. Về cơ bản, môi trường tự nhiên nuôi cấy gồm những thành phần như nguồn hydrocarbon, nguồn nitơ, nguồn phospho, vi lượng, vitamin và những chất kích thích sinh trưởng, dầu phá bọt và những tiền chất :
- Nguồn hydrocarbon: Đây là nguồn năng lượng lớn nhất cho vi sinh vật. Chúng tiêu thụ từ 10 đến 50% nguồn này trong chu kỳ sinh trưởng. Nguồn này gồm có 2 dạng là dạng tan được như glucose, saccarose…- các đường này vi sinh vật rất dễ đồng hóa và các dạng không tan như tinh bột (gồm ngô, lúa mì, gạo, sắn…)- vi sinh vật phải có amylase mới có thể tiêu hóa được. Ngoài ra còn có thể sử dụng một số nguồn khác như cellulose (từ rơm rạ, bã mía..) hoặc dầu mỏ như methan, parafin (từ C8 đến C18).
- Nguồn N2: ngoài cung cấp năng lượng, nguồn này còn cung cấp các nhóm amin cho acid amin, acid nucleotid cần thiết để vi sinh vật nhân lên và tạo sản phẩm. Các nguồn nitơ gồm có nguồn vô cơ như amoni, và muối nitrat và nguồn hữu cơ như acid amin trong bột đậu, bột ngô, cao nấm men, pepton và cao thịt. Ngoài ra trong cao ngô còn có thêm các chất kích thích sinh trưởng và các nguyên tố vi lượng, nên nguồn này được sử dụng rất phổ biến.
- Phospho: phospho là thành phần cấu tạo lên nhiều thành phần của tế bào như các acid nucleotid, các enzym. Cũng như nguồn nitơ, nguồn phospho có thể ở dạng hữu cơ hoặc vô cơ. Với các muối KH2PO4, K2HPO4 (vô cơ); bột đậu, ngô (nguồn hữu cơ)…
- Canxi: hay sử dụng là CaCO3, vì chúng còn có khả năng duy trì Ph môi trường do các acid béo của vi sinh vật tiết ra.
- Các nguyên tố vi lượng: bổ sung thêm các nguyên tố thiết yếu cho vi sinh vật phát triển như magie, đồng, mangan, kẽm… Các nguồn này có thể được bổ sung từ các muối vô cơ hoặc chính từ các nguồn nguyên liệu hydrocarbon và nito hữu cơ.
- Vitamin và chất kích thích sinh trưởng: cần thiết cho các quá trình trao đổi chất và nhân lên của vi sinh vật. Các thành phần này có thể được bổ sung riêng lẻ hoặc từ các nguồn dinh dưỡng như cao ngô hoặc rỉ đường.
- Dầu phá bọt: được sử dụng để phá bọt sinh ra trong quá trình nuôi cấy (do khuấy trộn hoặc do cấp khí với vi sinh vật hiếu khí). Thường sử dụng dầu thực vật để phá, nguồn này cũng có thể trở thành nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật. Tuy nhiên, khi sử dụng với lượng quá lớn, nó có thể tạo thành nhũ tương và cản trở quá trình trao đổi khí hoặc dinh dưỡng của vi sinh vật.
- Tiền chất: một số sản phẩm tạo thành cần có thêm tiền chất để gắn vào sản phẩm của vi sinh vật. Ví dụ như trong sản xuất kháng sinh penicillin, cần bổ sung thêm các gốc R để tạo kháng sinh mong muốn, hoặc như tổng hợp vitamin B12, cần 5,6 DMB bổ sung vào công thức. Thông thường được sử dụng với nồng độ thấp (mcg/L) và trong những khoảng thời gian nhất định.
- Khử trùng: gồm khử trùng thiết bị, môi trường nuôi cấy, nước… Quá trình khử để tiệt khuẩn môi trường dinh dưỡng, với dung nhiệt nó còn giúp hồ hóa các thành phần tinh bột trong môi trường.
Phương pháp tiệt khuẩn hay được vận dụng là nhiệt ẩm : với nhiệt độ 121 độ C trong 30 phút, ở áp suất 0.6 đến 1 atm .
Chú ý : khi triển khai khử trùng không khí, cần qua những mạng lưới hệ thống sử lý nhiệt độ và tạp tiểu phân .
Trong lên men
Gồm 2 quy trình là nhân giống và lên men .
Nhân giống : quy trình nhân giống làm tăng số lượng tế bào ở quá trình đoạn sinh trưởng ( tăng trưởng mạnh nhất ), do đó chỉ nuôi trong một thời hạn ngắn. Giai đoạn này, còn giúp vi sinh vật quen với môi trường tự nhiên nuôi cấy ( thường là dịch thể trong lên men chìm ) .
Khi tiến hành nhân giống, cần địa thế căn cứ vào thể tích thiết bị lên men, thể tích nồi nhân giống cuối thường bằng 10 % so với thể tích tổng ( hoàn toàn có thể từ 5 đến 20 % ). Nếu tỉ lệ quá nhỏ, vi sinh vật sẽ khó quen với lượng dinh dưỡng quá lớn, không kịp để tiêu thụ hết dinh dưỡng đã đến pha suy tàn, làm hiệu suất giảm. Còn tỉ lệ quá cao, lượng dinh dưỡng không đủ, chưa kịp tạo mẫu sản phẩm đã hết dinh dưỡng .
Để vi sinh vật quen với thiết bị lên men, quy trình nhân giống ở đầu cuối cần được thực thi trong thiết bị có hình dạng tương tự như thiết bị lên men .
Lên men : đây là quy trình tiến độ quan trọng nhất vì nó tạo ra mẫu sản phẩm và tăng sinh khối. Quá trình này tiến hành cung cấp không khí, chất dinh dưỡng, truyền nhiệt, chuyển khối và kiểm soát và điều chỉnh những phản ứng sinh học thích hợp như bổ trợ thiên nhiên và môi trường dinh dưỡng, kiểm soát và điều chỉnh pH và phá bọt. Thời gian thực thi giao động từ 24 h đến 120 giờ tùy thuộc vào loại sản phẩm đích muốn thu hoạch .
Hiệu suất của quy trình này sẽ nhờ vào vào độ vô trùng, thành phần dinh dưỡng, pH, nhiệt độ, cấp khí, thời hạn nuôi cấy, chất tiền thể .
Quá trình khuấy trộn :
- Giúp ngăn cản sự kết tụ và sa lắng giữa các tế bào trong quá trình nuôi cấy, tăng tiếp xúc vi sinh vật với dinh dưỡng và không khí.
- Giảm tập trung cục bộ sản phẩm chính và sản phẩm phụ trong quá trình, làm ức chế việc sinh tổng hợp vi sinh vật.
- Cần chú đến tốc độ khuấy trộn trong quá trình. Khi khuấy trộn với tốc độ quá cao, các tế bào va đạp mạnh có thể gây vỡ, tổn thương hoặc tạo các hệ sợi, các pellet đặc chắc và nhỏ- pellet càng đặc, tiếp xúc đồng đều giữa các vi sinh vật với dinh dưỡng càng kém. Tuy nhiên, khi khuấy quá nhẹ, việc đồng đều oxy và chất dinh dưỡng khó đạt được.
Quá trình cấp khí : quy trình đặc biệt quan trọng quan trọng với vi sinh vật hiếu khí .
Nhu cầu oxy là khác nhau giữa những vi sinh vật, lượng sinh khối trong nồi lên men, và dung tích thiết bị nuôi cấy. Tốc độ cấp khí được đo bằng thông số kỹ thuật V / V / M hoặc g / l / h …
Quá trình phá bọt : bọt sinh ra trong quy trình lên men do khuấy trộn và sục khí. Khí bọt này tạo ra lượng quá lớn hoàn toàn có thể trào ra những đường ống và dễ dẫn đến tạp nhiễm và khó khăn vất vả khi vệ sinh bảo dưỡng. Bọt sinh ra nhiều cũng cản trở việc tiếp xúc của những tế bào vi sinh vật với môi trường tự nhiên dinh dưỡng. Do đó cần thực thi phá bọt trong lên men. Các chiêu thức giải quyết và xử lý bọt như sử dụng những chất diện hoạt, những dầu thực vật, mỡ cá heo. Yêu cầu của những chất phá bọt này có năng lực nhanh gọn phân tán bọt, không gây độc được với vi sinh vật có tính năng lê dài và chỉ cần sử dụng với một lượng nhỏ là có tính năng .
Điều chỉnh pH : mỗi vi sinh vật chỉ tăng trưởng trong một điều kiện kèm theo pH nhất định, pH tác động ảnh hưởng đến tỉ lệ những ion H + và OH – trong thiên nhiên và môi trường mà những ion này ảnh hưởng tác động trực tiếp đến hoạt lực của những enzym và chất keo trong tế bào ( thành phần quan trọng so với sự sống còn của vi sinh vật ) do đó cần không thay đổi pH trong quy trình lên men. Các giải pháp không thay đổi pH thường dùng là những chất hệ đệm như đệm phosphat, đệm amoni hoặc những chất kiềm nhẹ như CaCO3 .
Điều chỉnh nhiệt độ : cũng như pH những vi sinh vật cũng chỉ hoạt động giải trí và sinh trưởng trong khoảng chừng nhiệt độ nhất định – do nhiệt độ tác động ảnh hưởng đến hoạt độ của enzym. Đặc biệt trong quy trình lên men, những quy trình như khuấy trộn, sục khí hay sự hô hấp của vi sinh vật đều là quy trình tỏa nhiệt, làm đổi khác nhiệt độ thiên nhiên và môi trường nuôi cấy. Do đó, cần có những thiết bị để trấn áp và điều khiển và tinh chỉnh nhiệt độ thích hợp .
Ngoài ra, trong quy trình lên men cũng tiếp tục thực thi quy trình lấy mẫu để xác lập pH thiên nhiên và môi trường, hàm lượng dinh dưỡng, độ vô trùng, hàm lượng loại sản phẩm, trạng thái của vi sinh vật. Từ đó, triển khai những giải pháp xử lý kịp thời và xác lập được thời hạn thu loại sản phẩm thích hợp .
Quá trình thu sản phẩm
Tùy thuộc loại sản phẩm ở trong nội bào hay ngoại bào mà thực thi những thu sinh khối hay thu dịch lọc. Với mẫu sản phẩm nội bao ta triển khai thu sinh khối còn ngoại bào thì thu dịch lọc. Một số loại sản phẩm còn sống sót cả trong và ngoài tế bào, do đó cần thu hàng loạt khối sau lên men .
Tiến hành tách sinh khối và dịch lên men : hoàn toàn có thể sử dụng ly tâm hoặc lọc ( lọc trống hay khung bản – ưu tiên sử dụng vì lọc được những dịch nhớt cao ) và mới nhất là lọc tiếp tuyến .
Quá trình này nên thực thi ở nhiệt độ thấp khoảng chừng 4 độ C để giữ được hoạt tính của tế bào cũng như những thành phần khác. Trong quy trình lọc, hoàn toàn có thể sử dụng những chất trợ lọc là những chất có cấu trúc xốp, hấp phụ được những tế bào, trành để những tế bào này nến chặt trên mặt phẳng màng lọc và cản trở quy trình vận động và di chuyển của dịch .
Với mẫu sản phẩm nội bào cần thực thi tiếp quy trình hủy hoại tế bào để giải phóng dược chất. Có thể sử dụng acid hoặc kiềm để tàn phá màng tế bào và giải phóng chất nội bào ra ngoài. Tiến hành lọc để thu được dịch nội bào .
Chiết tách loại sản phẩm : dịch thu được sau lọc sẽ được chiết bằng dung môi hữu cơ, sử dụng những nhựa trao đổi ion hay nhựa hấp phụ để thu được loại sản phẩm. Có thể chuyển dạng muối hoặc dạng kết tủa thích hợp .
Tinh chế : loại sản phẩm thô thu được sẽ liên tục tinh chế để loại tạp, tẩy màu, sau đó được kết tinh lại tạo loại sản phẩm .
Tài liệu tham khảo
Slide bài giảng học phần “ công nghệ vi sinh ” – PGS.TS Đàm TX Thanh Xuân ; Th.S Lê Ngọc Khánh – Trường Đại học Dược Thành Phố Hà Nội .
https://www.britannica.com/science/fermentation
https://sciencing.com/happens-there-oxygen-available-end-slow-glycolysis-22581.html
https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/fermentation
Xem thêm : Đại cương về công nghệ sinh học và phân loại mẫu sản phẩm của vi sinh vật
