Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology
Công nghệ lên men CÔNG NGHỆ LÊN MEN FERMENTATION TECHNOLOGY • Công nghệ lên men, hay công nghệ trình sinh học (bioprocess technology), bắt nguồn từ việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất thực phẩm phó mát, sữa chua, loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương, loại thức uống (bia, rượu vang, )… • Các trình sinh học tiến hành thủ công, ngày tiến hành theo quy trình công nghệ áp dụng kiến thức khoa học đại Tempeh 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA Lên men gì? Nguyễn Hữu Trí Quy trình lên men • Trong sinh hóa: lên men trình phát sinh lượng chất hữu vừa chất cho điện tử vừa chất nhật điện tử cuối • Trong công nghiệp: lên men mô tả trình sản xuất sản phẩm nuôi cấy sinh khối tế bào thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor) 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí • Bước 1: Thiết lập môi trường dùng tăng sinh giống sản xuất • Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men thiết bị kèm theo • Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh để cung cấp chp bồn len men giai đoạn sản xuất • Bước 4: Cung cấp điều kiện tối ưu cho phát triển giống để giống sản sinh sản phẩm • Bước 5: Chiết tinh chế sản phẩm • Bước 6: Xử lý chất thải tạo quy trình 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí Quy trình lên men Quy trình lên men • Quá trình lên men công nghiệp gồm công đoạn chính: -10 mL – Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn khử trùng nguyên liệu thiết bị lên men – Lên men 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 0,2 -1 L 10 -100 L 100 -100.000 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí Phân loại lên men Quy trình lên men Dựa vào cách cho chất vào môi trường thu hoạch sản phẩm mà người ta chia thành dạng nuôi cấy: — lên men theo mẻ — lên men theo mẻ có bổ sung chất — lên men liên tục 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí Lên men theo mẻ Lên men theo mẻ có bổ sung chất Vi sinh vật cấy vào nồi lên men sau môi trường chuẩn bị Trong điều kiện nuôi cấy vô trùng đảm bảo điều kiện thích hợp, vi sinh vật phát triển theo đồ thị điển hình gồm giai đoạn: (1): pha lag pha vi sinh vật chưa phân chia, tế bào thích nghi dần với điều kiện môi trường (2): pha tăng tốc tạm thời giai đoạn mật độ vi sinh vât bắt đầu tăng nhanh (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, phát triển chậm lại dừng hẳn • Để nâng cao suất mẻ lên men người ta bổ sung chất vào trình lên men • 1/ Bổ sung từ từ chất dinh dưỡng làm tăng thể tích dịch nuôi cấy, phương pháp sử dụng công nghiệp sản xuất men bánh mì • 2/ Bổ sung môi trường vào bioreactor đồng thời rút thể tích dịch nuôi cấy (không chứa tế bào) tương ứng, phương pháp sử dụng nuôi cấy tế bào động vật (6): pha chết, tăng trưởng dừng hẳn, tế bào bị phá hủy 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí Môi trường cho vào đồng thời dịch lên men (môi trường, phụ phẩm, vi sinh vật) lấy với tốc độ, nhằm giữ thể tích dịch lên men ổn định Phương pháp cho phép vi sinh vật phát triển điều kiện ổn định, tăng trưởng diễn với tốc độ ổn định, môi trường ổn định Ứng dụng số trường hợp sản xuất protein đơn bào, ethanol số qui trình xử lý nước thải 11 10 Nguyễn Hữu Trí Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học) Lên men liên tục 19/09/2011 10:58 SA 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí Một số dạng bioreactor phổ biến 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 19/09/2011 10:58 SA 12 Nguyễn Hữu Trí Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học) • Bioreactor thiết bị quan trọng để thực trình sản xuất sinh học lên men bia, acid hữu cơ, acid amin, kháng sinh, enzyme, vaccine, xử lý chất thải • Trong thiết bị lên men, vi sinh vật phân tán môi trường, khí O2 chất dinh dưỡng tế bào hấp thu đồng thời sản phẩm phụ nhiệt độ, CO2 , chất biến dưỡng không cần thiết phải loại khỏi tế bào 19/09/2011 10:58 SA 13 Nguyễn Hữu Trí Cấu tạo nồi lên men Nồi lên men Hệ thống trùng Bộ phận khuấy, cung cấp khí Hệ thống giám sát – điều chỉnh nhiệt độ Hệ thống giám sát – điều chỉnh pH Hệ thống nạp mẫu Hệ thống giám sát – phá bọt 19/09/2011 10:58 SA Bioreactor Nguyễn Hữu Trí Bioreactor Hình dạng bioreactor thay đổi nhanh chóng vài thập niên gần Để nâng cao khả thông khí khuấy trộn người ta sử dụng hai hệ thống cải tiến sau: Hệ thống sử dụng thiết bị thông khí khuấy trộn học điển hình bồn lên men với hệ thống khuấy trộn trung tâm (centrally stirred tank reactor CSTR) Các thiết bị có chứa nhiều cánh khuấy Cánh khuấy giúp tăng O2 hòa tan, giúp thành phần bồn lên men phối trộn với nhau, tạo điều kiện cho chất dinh dưỡng khí O2 thấm vào tế bào, cho phép trao đổi nhiệt tốt —Hệ thống sử dụng thiết bị thông khí khuấy trộn học —Hệ thống sử dụng hệ thống bơm học bơm khí động học 19/09/2011 10:58 SA 14 15 Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 16 Nguyễn Hữu Trí Bioreactor Đối với tất trình lên men, yêu cầu quan trọng phải đảm bảo cho thành phần tham gia phải đặt điều kiện giống Các thông số lý hóa trình lên men phải kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo cho tế bào đặt điều kiện Hệ thống thứ hai sử dụng hệ thống bơm học bơm khí động học làm thiết bị phân phối khí bioreactor Dung dịch thiết bị di chuyển theo dòng tuần hoàn 19/09/2011 10:58 SA Để kiểm soát tốt trình lên men cần phải hiểu trạng thái trình khả đáp ứng vi sinh vật điều kiện khác môi trường Các thông số trình lên men kiểm soát cách trực tiếp gián tiếp Quá trình kiểm soát trực tiếp thực thông qua sensor đặt bồn lên men Phương pháp thường áp dụng với thông số nhiệt độ, pH, hàm lượng O2, CO2 hòa tan 17 Nguyễn Hữu Trí Hiệu lên men — Để đạt hiệu lên men cao cần đáp ứng yêu cầu sau — Thiết bị lên men phải thiết kế cho hạn chế đến mức thấp khả tạp nhiễm — Thể tích dịch nuôi cấy thiết bị phản ứng phải trì ổn định tránh thất thoát bay — Mức độ O2 hòa tan phải điều chỉnh phù hợp — Các thông số nhiệt độ, pH cần kiểm soát chặt chẽ, thành phần phản ứng phải phối trộn tốt 19/09/2011 10:58 SA 19 Nguyễn Hữu Trí Kiểm soát gián tiếp thực cách lấy mẫu trình lên men đem phân tích Phương pháp dùng để đo hàm lượng DNA, RNA, enzyme sinh khối 19/09/2011 10:58 SA 18 Nguyễn Hữu Trí Sản xuất quy mô lớn (scale up) Trước hết trình lên men công nghiệp thực quy mô phòng thí nghiệm, sau nâng lên mức sản suất thử (pilot) cuối mở rộng sản xuất quy mô công nghiệp Các số liệu thu từ quy mô phòng thí nhiệm dùng làm sở để thiết lập hệ thống pilot hệ thống sản xuất công nghiệp Khi mở rộng qui mô sản xuất cần phải ý đến chế độ khuấy trộn, thông khí, kiểm soát thông số sản xuất, đảm bảo điều kiện vô trùng Bioreactor quy mô công nghiệp trình sản xuất 19/09/2011 10:58 SA 20 Nguyễn Hữu Trí Thiết kế môi trường cho trình lên men Việc chuẩn bị môi trường có vai trò quan trọng, tảng cho toàn trình lên men Nếu môi trường thiết kế không tốt dẫn hiệu lên men thấp, vi sinh vật tăng trưởng suất tạo sản phẩm thấp Nước thường thành phần chủ yếu môi trường nuôi cấy tế bào vi sinh vật, động vật thực vật, ảnh hưởng đến phát triển sinh vật hình thành sản phẩm Nước nguồn nguyên liệu đầu vào quan trọng nhiều trình lên men nên cần phải kiểm soát cẩn thận 19/09/2011 10:58 SA 21 Nguyễn Hữu Trí Thiết kế môi trường cho trình lên men Nguồn dinh dưỡng cần thiết cho phát triển vi sinh vật gồm nguồn carbon cung cấp lượng, nguồn nitơ, thành phần vô Trong hầu hết trình lên men nguồn carbon nitơ thường lấy từ hỗn hợp chất rẻ tiền phế phẩm từ trình sản xuất Quá trình trùng cần quan tâm đặc biệt cho vừa đảm bảo tiêu diệt toàn vi sinh vật tạp nhiễm vừa hạn chế đến mức thấp biến chất thành phần môi trường Phương pháp trùng theo mẻ sử dụng rộng rãi Lên men chất rắn – Ở phương Đông: nước tương, tempeh, sản xuất enzyme quy mô công nghiệp – Ở phương Tây: thức ăn gia súc ủ chua (silage), nuôi trồng nấm, sản xuất phó mát sauerkraut, làm phân bón từ thực vật chất thải động vật – Một số sản phẩm khác: ethanol, methane, sinh khối sinh vật ăn (edible biomass) 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí Ví dụ lên men sử dụng chất rắn • Cơ chất sử dụng: hạt ngũ cốc, cám lúa mì, rơm, mùn cưa hay gỗ dăm bào, nhiều loại nguyên liệu từ động vật thực vật Các hợp chất phân tử polymer, không tan hay tan nước, giá thành rẻ, dễ thu nhận; nơi tập trung nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển • Thành phần vi sinh vật lên men chất rắn chủng hỗn hợp vi sinh vật • Thực phẩm lên men chất rắn: 23 22 19/09/2011 10:58 SA Nguyễn Hữu Trí Ví dụ Cơ chất Vi sinh vật liên quan Sản phẩm từ nấm (Châu Âu phương Đông) Rơm, phân bón Agaricus bisporus Lentinus edodes Volvariella volvaceae Sauerkraut (dưa cải bắp Đức) Cải bắp Vi khuẩn lactic Nước tương Đậu nành lúa mì Aspergillus oryzae Rhizopus oligosporus Tempeh Đậu nành Ontjom Bánh đậu phộng ép Neurospora sitophila Phó mát Sữa đông Penicillium roquefortii Thiobacillus spp Tuyển khoáng Quặng giá trị thấp Acid hữu Đường mía, mật rỉ đường Aspergillus niger Enzymes Cám mì, … Aspergillus niger Làm phân bón Hỗn hợp vật liệu hữu Nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn Xử lý chất thải Chất thải Vi khuẩn, nấm động vật nguyên sinh 19/09/2011 10:58 SA 24 Nguyễn Hữu Trí Thuận lợi bất lợi lên men chất rắn so với lên men lỏng Thuận lợi Môi trường đơn giản, giá thành rẻ Nguyên liệu có độ ẩm thấp tiết kiệm không gian bioreactor, lượng chất lỏng cần xử lý ít, nguyên liệu chứa vi sinh vật hơn, thường không cần khử trùng, dễ xử lý sau lên men Nhu cầu thông khí đáp ứng khuếch tán khí làm thông khí không liên tục Năng suất sản phẩm cao Chi phí lượng thấp so với bioreactor thùng khuấy 19/09/2011 10:58 SA Lên men chất rắn • Các loại bioreactor sử dụng lên men chất rắn - không khuấy trộn Bất lợi - khuấy trộn gián đoạn Các trình bị hạn chế chủ yếu khuôn chịu độ ẩm thấp Tạo lượng nhiệt trao đổi tiến hành quy mô lớn Khó kiểm soát xác độ ẩm, sinh khối, lượng O2, CO2 - khuấy trộn liên tục • Koji sản xuất hệ thống nuôi cấy mẻ bán liên tục liên tục • Một số trình lên men chất rắn cần tiến hành tiền xử lý nguyên liệu thô để tăng giá trị dinh dưỡng giảm kích thước thành phần (ví dụ bột rơm, cắt nhỏ nguyên liệu thực vật) Bioreactor thiết kế không hoạt động tốt Sự giới hạn sản phẩm Tốc độ phát triển vi sinh vật thấp 25 Chi phí tiền xử lý phải cân giá trị sản phẩm cuối Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA Đầu năm 1950, virus bại liệt nuôi cấy số lượng lớn tế bào động vật nuôi cấy để chế vaccine chống bại liệt Vaccine virus khác quai bị, sởi, adenovirus • Nửa cuối kỷ 20, tập trung vào cải tiến môi trường trình để tạo tế bào có khả phát triển, tồn độc lập nuôi cấy có khả phân chia tích cực Các loại tế bào nuôi cấy : người, chuột (rat, mice, hamster), khỉ, gia súc, cừu, ngựa gần cá côn trùng • Thành phần môi trường: chất hữu amino acid, vitamin, acid hữu chất khác, đệm muối vô Vài loại môi trường chứa huyết (5-20%) để cung cấp nhân tố tăng trưởng, nguyên tố vi lượng, chất béo,… 19/09/2011 10:58 SA 27 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật • 26 • Trong môi trường dinh dưỡng thích hợp, tế bào động vật phát triển sinh vật đơn bào, sinh sản cách phân đôi Các tế bào động vật thiếu vách cứng bên tế bào nên dễ bị tổn thương lực tác động thay đổi áp suất thẩm thấu • Nuôi cấy tế bào phân tách từ thể động vật gọi nuôi cấy sơ cấp Ở giai đoạn này,các tế bào thường dạng hỗn hợp không đồng đại diện cho loại tế bào mẹ biểu đặc tính đặc hiệu mô • Sau vài lần nuôi cấy thứ cấp môi trường mới, dòng tế bào chết biến đổi thành dòng tế bào có khả phân chia liên tục Các dòng tế bào có nhiều thay đổi so với nuôi cấy sơ cấp hình thái tế bào, tốc độ tăng trưởng gia tăng, gia tăng biến đổi nhiễm sắc thể,… 19/09/2011 10:58 SA 28 Nguyễn Hữu Trí Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật • Tế bào động vật phát triển nuôi cấy huyền phù bề mặt rắn – Tế bào Hela (tế bào từ khối u ác tính người) phát triển hai trạng thái • Nuôi cấy huyền phù: sử dụng bioreactor dạng thùng khuấy với thể tích lớn dựa sở bioreactor nuôi cấy mẻ từ nghiên cứu vi sinh vật • Kết hợp nuôi cấy bám nuôi cấy huyền phù: sử dụng hạt mang cực nhỏ (microcarrier beads) – Tế bào nguyên bào lympho (lymphoblastoid) phát triển môi trường lỏng Nuôi cấy lớp đơn tế bào động vật bị ảnh hưởng diện tích bề mặt có khả bám phải tìm cách gia tăng diện tích bề mặt Nguyên tắc: tế bào cần chỗ bám (anchorage-dependent cells) gắn lên hạt DEAE-Sephadex đặc biệt, hạt có khả lơ lửng huyền phù Bằng cách lợi kỹ thuật bioreactor thùng khuấy sử dụng với tế bào neo lại Nuôi cấy ống bình chứa quay tròn để bảo đảm trao đổi khí chất dinh dưỡng Phần lớn quy trình nuôi cấy tế bào động vật liên quan đến nuôi cấy huyền phù tế bào – Các tế bào lưỡng bội sơ cấp tế bào ban đầu phát triển môi trường rắn • Gần đây, sử dụng vòng ống Teflon có khả cho khí qua, ống có diện tích bề mặt 10 000 cm2, kết hợp 20 ống thành thiết bị nuôi cấy 19/09/2011 10:58 SA 29 Nguyễn Hữu Trí Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật • • • Ứng dụng: – Sản xuất vaccine (bại liệt, quai bị, bệnh dại,…), – Nghiên cứu độc chất thuốc nhằm giảm thử nghiệm động vật – Sản xuất quan nhân tạo da – Sản xuất protein dùng cho chẩn đoán (kháng thể đơn dòng), interferons, hormones, insulin,… Kháng thể đơn dòng sản phẩm quan trọng nuôi cấy tế bào động vật (đạt giá trị gần tỉ $ năm 2001, gia tăng) Trong tương lai: cải tiến dòng tế bào theo hướng gia tăng suất, khả phát triển môi trường huyết gia tăng phạm vi sản xuất phân tử sử dụng trị liệu người Các dòng tế bào động vật (tế bào buồng trứng chuột, tế bào ung thư tủy sống chuột (mouse myeloma), tế bào võng mạc người, tế bào thận phôi người) hệ thống chiếm ưu sản xuất protein tái tổ hợp ứng dụng điều trị chúng tạo protein gấp cuộn đúng, có khả lắp ráp biến đổi sau dịch mã 19/09/2011 10:58 SA 31 Nguyễn Hữu Trí • microcarrier bead Hầu tất quy trình sản xuất có suất cao sử dụng phương pháp nuôi cấy huyền phù theo mẻ nuôi cấy bán liên tục 19/09/2011 10:58 SA 30 Nguyễn Hữu Trí Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật • Kỹ thuật chế tạo mô dạng y học phục hồi, sản phẩm da trở thành phương pháp trị liệu thành công • Những sản phẩm kỹ thuật chế tạo mô có giá thành sản xuất chi phí nghiên cứu cao • Phần lớn sản phẩm kỹ thuật chế tạo mô người tiến hành cách nuôi cấy tế bào từ bệnh nhân người hiến tặng sau cho chúng mọc giá thể thích hợp kích thích tế bào tăng sinh để hình thành mô đặc trưng Xương Giá thể tạo từ vật liệu sinh học tự nhiên, tổng hợp hay bán tổng hợp Cấu trúc giá thể xác định hình dạng mô Sản phẩm kỹ thuật chế tạo mô thay cho mô người hiến tặng sử dụng cấy ghép phẩu thuật tái tạo 19/09/2011 10:58 SA 32 PCL Nguyễn Hữu Trí Xương phát triển giá thể PCL Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật • Nuôi cấy tế bào thực vật hay quan vi nhân giống thực vật • Nuôi cấy huyền phù tế bào nhiều loài thực vật bioreactor để thu lượng lớn sản lượng nicotine, alkaloids nhân sâm (ginseng), quy trình xem công nghệ sinh học tế bào thực vật • Hiện người ta dự định lên men quy mô lớn để sản xuất thương mại sản phẩm từ thực vật có giá trị cao mao địa hoàng (digitalis), hoa nhài, bạc hà (spearmint), codeine,… 19/09/2011 10:58 SA 33 Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật • Phương pháp lên men theo cách tăng sinh tế bào thực vật môi trường lỏng khuấy trộn bắt nguồn từ kỹ thuật nuôi cấy vi sinh vật • Tế bào thực vật phát triển chậm so với tế bào vi sinh vật Bioreactor nuôi cấy rễ tơ nhân sâm Hàn Quốc • Đặc tính phổ biến nuôi cấy tế bào thực vật: giai đoạn tăng trưởng giai đoạn tạo sản phẩm thường tách biệt nhau, đòi hỏi điều kiện cho tăng trưởng tạo sản phẩm tối ưu hóa theo cách khác • Quá trình nuôi cấy theo mẻ fed-batch (lên men bổ sung dinh dưỡng) hệ thống bioreactor phổ biến Nguyễn Hữu Trí Quá trình xử lý sau lên men chủ yếu liên quan đến việc phân tách dịch lên men bioreactor thành pha lỏng pha rắn, sau cô đặc tinh sản phẩm Quá trình xử lý sau lên men gồm nhiều giai đoạn Phân tách • Các sản phẩm khác đáng kể kích thước phân tử, thành phần hóa học, yêu cầu độ tinh cần phương pháp khác để thu hồi tinh Thiết kế trình xử lý sau lên men phù hợp với sản phẩm để hiệu thu hồi sản phẩm cao • Quá trình xử lý sau lên men công đoạn tốn nhiều chi phí toàn trình sản xuất Sự cải tiến trình xử lý sau lên men giúp tăng hiệu giảm chi phí toàn quy trình 19/09/2011 10:58 SA 35 Nguyễn Hữu Trí Nguyễn Hữu Trí Quá trình xử lý sau lên men Quá trình xử lý sau lên men • Quá trình sau lên men liên quan đến tách chiết tinh chế sản phẩm thành dạng thích hợp cho mục đích định • Các loại sản phẩm: toàn tế bào, amino acid, vitamin, acid hữu cơ, dung môi, enzyme, vaccine, protein trị liệu, kháng thể đơn dòng 34 19/09/2011 10:58 SA Cô đặc Tinh chế Lọc (Filtration) Ly tâm (Centrifugation) Tuyển (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) Biến đổi Làm khô 19/09/2011 10:58 SA 36 Nguyễn Hữu Trí Quá trình xử lý sau lên men Quá trình xử lý sau lên men • Quá trình xử lý sau lên men phụ thuộc nhiều vào tính chất vật lý hóa học sản phẩm • Sự phân tách thành phần pha lỏng dịch lên men liên quan tới trình lắng, lọc, ly tâm hay phân tách điện động học mức độ cuối trình phụ thuộc vào mục đích sử dụng sản phẩm cuối Khi sản phẩm tách khỏi pha lỏng pha rắn (như sinh khối vi sinh vật), dịch lên men loại bỏ xử lý • Các phương pháp sử dụng tách riêng sản phẩm cuối bao gồm: làm khô, chưng cất, lắng, lọc màng, sắc ký hấp thụ, sắc ký lực, sắc ký trao đổi ion sắc ký lọc gel,… • Sản phẩm cuối giai đoạn tinh sau lên men cần có mức độ ổn định định để tiêu thụ thị trường • Cần cần thận để tránh nhiễm vi sinh vật tránh hư hỏng, tránh biến tính sản phẩm có chứa protein • Cần hiểu biết động học tăng trưởng tạo sản phẩm 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 19/09/2011 10:58 SA 37 Nguyễn Hữu Trí Các sản phẩm lên men công nghiệp thực phẩm Các sản phẩm từ sữa (phô mai, sữa chua), sản phẩm từ cá thịt Thức uống (rượu, trà 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 cải biến, pectin 19/09/2011 10:58 SA 39 Nguyễn Hữu Trí Thiết kế trình xử lý sau lên men phải phù hợp với sản phẩm giá thành sản phẩm • Quá trình xử lý sau lên men tiếp tục công đoạn nhiều thử thách trình công nghệ sinh học 19/09/2011 10:58 SA 38 Nguyễn Hữu Trí Các sản phẩm lên men công nghiệp thực phẩm Các sản phẩm thực phẩm thức uống sản phẩm thương mại Các sản phẩm từ vi khuẩn, động vật tế bào thực vật tăng lên, gồm: – Các chất trao đổi sơ cấp acid acetic acid lactic, glycerol, acetone, butyl alcohol, acid hữu cơ, amino acid, vitamin loại đường đa (polysaccharide) – Các chất trao đổi thứ cấp penicillin, streptomycin, cephalosporin, giberellin,… – Enzymes sử dụng công nghiệp enzyme ngoại bào (như amylases, pectinases proteases) enzyme nội bào (invertase, asparaginase, enzyme cắt giới hạn, ) – Kháng thể đơn dòng, vaccine, protein dùng chữa bệnh 19/09/2011 10:58 SA 40 Nguyễn Hữu Trí 10 Các sản phẩm lên men công nghiệp thực phẩm Protein đơn bào (SCP) • Sinh khối vi sinh vật tổng hợp thương mại gọi protein đơn bào (SCP - single cell protein) sử dụng loài tảo đơn bào Chlorella Spirulina sử dụng cho người động vật, tế bào nấm men sử dụng ngành công nghệ nước giải khát, sinh khối vi khuẩn sử dụng làm thức ăn cho động vật, sinh khối Fusarium graminearum sử dụng cho mục đích 19/09/2011 10:58 SA 41 Nguyễn Hữu Trí Protein đơn bào (SCP) - Nuôi cấy vi sinh vật tận dụng phụ phẩm ngành công nghiệp bã mía, phụ phẩm dầu mỏ… để thu sinh khối nguồn cung cấp protein cho người gia súc hay gọi protein đơn bào (SCP – single cell protein) - Công nghệ ngày phát triển hướng tới việc tạo vi sinh vật sản xuất chất cần thiết acid amin, vitamin, acid nucleic… 19/09/2011 10:58 SA 43 Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 42 Nguyễn Hữu Trí SCP từ vật liệu chất thải hữu Những vật liệu mà tạo nên chất thải hữu thường nên tái chế trở lại hệ sinh thái, ví dụ chất thải carbohydarte, đường, tinh bột, nước sữa, mật đường; chất thải lignocellulose, rơm, bã mía,và phân xanh động vật Nhiều chất thải đề xuất biến đổi thành protein mà động vật người ăn Có hai cách tiếp cận nghiên cứu nhận công nhận đóng góp to lớn vào việc dùng protein người: protein nấm (myco-protein) QuornTM sản xuất nấm ăn 19/09/2011 10:58 SA 44 Nguyễn Hữu Trí 11 QuornTM myco-protein (protein đơn bào công ty Marlow Foods Ltd có tên thương mại QuornTM myco-protein) Ba tiêu chuẩn xem xét cho thực phẩm protein đơn bào : — Nó phải “ngon” để ăn — Sản phẩm cuối chất chất trung gian dùng trình chế biến phải an toàn để ăn — Quan trọng thực phẩm cuối giàu dinh dưỡng Vi sinh vật nguồn SCP tuyệt vời có sản phẩm SCP chấp nhận người tiêu thụ protein nấm 19/09/2011 10:58 SA 45 Nguyễn Hữu Trí Myco-protein sinh khối tế bào chế biến từ nấm sợi Fusarium venenatum Sau sản xuất quy mô lớn tháp lên men chứa chu trình áp suất, V=40.000l (có khả sản xuất 1000 mycoprotein năm ) Gần thiết bị lên men V=150 000l nuôi cấy nấm dòng chảy liên tục (có khả sản xuất 5000-7000 mycoprotein năm ) Môi trường lỏng khử trùng bơm liên tục vào thiết bi lên men Môi trường chứa đường glucose, với muối khoáng yếu tố tăng trưởng giúp sợi nấm mọc dài Không khí khử trùng amonia bơm vào Nhiệt độ trì 30-32oC sinh khối tăng gấp đôi sau 19/09/2011 10:58 SA 47 Myco-protein sinh khối tế bào chế biến từ nấm sợi Fusarium venenatum Chủng F venenatum PTA-2684 nuôi cấy từ mẫu đất trồng lấy từ Buckinghamshire, United Kingdom, Marlow Foods Ltd chọn chủng từ 3000 sinh vật thu nhận khắp giới Nguồn chất tinh bột tinh bột cần thiết phải bị thủy phân thành carbohydrate hòa tan (glucose) để kiểm soát lên men tốt Ở nghiên cứu ban đầu, sinh khối hệ sợi nấm proteinnấm sản xuất thùng bioreactor có cánh khuấy 300l Kiểm tra an toàn sản phẩm phạm vi rộng khoảng thời gian 12 năm động vật người (các tình nguyện viên), cho thấy mycoprotein tiêu thụ, tác hại 19/09/2011 10:58 SA 46 Nguyễn Hữu Trí Myco-protein sinh khối tế bào chế biến từ nấm sợi Fusarium venenatum • Fusarium cấy vào thiết bị lên men tổ chức dạng hệ thống nuôi cấy liên tục chạy nhiều tuần • Dưới diều kiện phát triển tối ưu, thời gian nhân đôi hệ sợi nấm nằm 3.5 4.1 cho phép sản xuất 300 đến 350 kg sinh khối Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 48 Nguyễn Hữu Trí 12 Myco-protein sinh khối tế bào chế biến từ nấm sợi Fusarium venenatum Sinh khối sau đưa vào xử lý nhiệt để giảm hàm lượng RNA Sinh khối nấm đun nóng lên đến 90 C cô đặc ly tâm bột nhão định hình kỹ thuật chế biến thực phẩm thành hình dạng thích hợp cho sản phẩm cuối, thêm gia vị, màu sắc … QuornTM cung cấp thực phẩm hàm lượng calo thấp (80kcal/100g), chất béo động vật cholesterol hàm lượng chất béo bão hòa thấp, chất xơ cao 19/09/2011 10:58 SA 49 Sản xuất nấm ăn -Nuôi nấm sinh bào tử ăn chất thải lignocellulose gỗ rơm -Trong trình nuôi cấy chất cho phát triển : • Agaricus bisporus rơm lên men Nguyễn Hữu Trí • Lentinula gỗ 19/09/2011 10:58 SA 50 Nguyễn Hữu Trí Nuôi nấm Agaricus Nuôi nấm Lentinula edodes Rơm trộn với phân động vật hợp chất nitơ hữu từ đến tuần sản phẩm cuối chất thích hợp cho phát triển nhanh Agaricus Lentinula edodes nấm trồng phổ biến thứ hai giới trồng 2000 năm Không có công thức phân trộn chuẩn nào, dựa vào sẵn có giá vật liệu thô chất bổ sung khu vực trồng cụ thể Khi nấm sợi mọc khắp phân trộn chuẩn bị (thường chứa hộp gỗ lớn), điều kiện nhiệt độ, độ ẩm môi trường bị thay đổi sau cấu trúc nấm lớn hình thành cách nhanh chóng với số lượng lớn hay gọi “nảy mầm” Sau chúng thu hoạch cách cắt tay khoảng từ đến 10 ngày sau tới vụ khác Thường có tới vụ trước trình chế biến kết thúc 19/09/2011 10:58 SA 51 Nguyễn Hữu Trí Hiện 90% sản lượng sản xuất Nhật nuôi cấy mở rộng đến Trung quốc, hàn quốc, singapore, đài loan, sri lanka gần sang Mỹ châu âu Phương pháp nuôi cấy truyền thống cấy bào tử hay sợi nấm vào khúc gỗ (1.8m ×0.15 m) để khúc gỗ tới tới tháng để nấm mọc lên sau suốt thời gian đầu mùa hè mùa thu, nấm phát triển mạnh thu hoạch Việc sản xuất theo mùa tăng cường sấy khô nấm để tiêu thụ quanh năm Nấm thu toàn chất dinh dưỡng từ lignoceluose khúc gỗ 19/09/2011 10:58 SA 52 Nguyễn Hữu Trí 13 Nuôi nấm Lentinula edodes Gần đầy hơn, phương pháp việc nuôi cấy phát triển:mùn cưa trộn với chất bổ sung ngũ cốc ép thành gói nhựa lớn- sản xuất khúc gỗ nhân tạo Các túi khử trùng sau cấy vô trùng nấm sau môt khoảng thời gian phát triển sinh dưỡng, cảm ứng để sản xuất nấm Cuối cùng, sau sản xuất nấm, chất dùng dùng làm thức ăn cho động vật hay làm phân sinh học Chân thành cảm ơn Lentinula edodes loài nấm châu khác loại nấm chữa bệnh 19/09/2011 10:58 SA 53 Nguyễn Hữu Trí 19/09/2011 10:58 SA 54 Nguyễn Hữu Trí 14 [...]...Các sản phẩm lên men trong công nghiệp thực phẩm Protein đơn bào (SCP) • 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... Fusarium venenatum Sau đó sản xuất quy mô lớn các tháp lên men chứa chu trình áp suất, V=40.000l (có khả năng sản xuất 1000 tấn mycoprotein mỗi năm ) Gần đây là thiết bị lên men V=150 000l 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... 10:58 SA 41 Nguyễn Hữu Trí Protein đơn bào (SCP) - 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) - 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,... đã lên men Nguyễn Hữu Trí • Lentinula là gỗ 19/09/2011 10:58 SA 50 Nguyễn Hữu Trí Nuôi nấm Agaricus Nuôi nấm Lentinula edodes Rơm được trộn với phân động vật và các hợp chất nitơ hữu cơ từ 1 đến 2 tuần sản phẩm cuối là một cơ chất duy nhất thích hợp cho sự phát triển nhanh của Agaricus Lentinula edodes là nấm được trồng phổ biến thứ hai trên thế giới và nó đã được trồng trên 2000 năm Không có một công. .. Kingdom, Marlow Foods Ltd chọn chủng này từ hơn 3000 sinh vật thu nhận trên khắp thế giới Nguồn cơ chất là tinh bột tinh bột cần thiết phải bị thủy phân thành carbohydrate hòa tan (glucose) để kiểm soát sự lên men tốt Ở những nghiên cứu ban đầu, sinh khối hệ sợi nấm của proteinnấm được sản xuất trong các thùng bioreactor có cánh khuấy 300l Kiểm tra an toàn của sản phẩm trên phạm vi rộng một khoảng thời gian... thể được tiêu thụ, không có bất kì tác hại nào 19/09/2011 10:58 SA 46 Nguyễn Hữu Trí 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... mà động vật và có thể là con người cũng ăn được 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 19/09/2011 10:58 SA 44 Nguyễn Hữu Trí 11 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... 19/09/2011 10:58 SA 48 Nguyễn Hữu Trí 12 Myco-protein là sinh khối tế bào được chế biến từ nấm sợi Fusarium venenatum Sinh khối sau đó được đưa vào xử lý nhiệt để giảm hàm lượng RNA Sinh khối nấm được đun nóng lên đến 90 C và được cô đặc bằng ly tâm bột nhão định hình bởi kỹ thuật chế biến thực phẩm thành những hình dạng thích hợp cho những sản phẩm cuối, thêm gia vị, màu sắc … QuornTM cung cấp một thực phẩm... 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 nấm vào khúc gỗ (1.8m ×0.15 m) để khúc gỗ tới tới 5 tháng để các nấm mọc lên sau đó trong suốt thời gian đầu của mùa hè và mùa thu, các nấm sẽ phát triển mạnh và được thu hoạch Việc sản xuất theo mùa này được tăng cường bởi sự sấy khô nấm để có thể tiêu thụ quanh năm Nấm thu