mở đầu cho công nghiệp lên men dựa trên cơ sở khoa học. Năm 1898, Eduard Buchner cũng đã nghiên cứu tác dụng men của nhiều nấm men, đã vạch ra mối liên hệ giữa nấm men và hóa học về men và ứng dụng hoạt 2 động của nấm men vào sản xuất tiếp giống ngoài. Ông đã nghiền nấm men lấy ra dung dịch có men zymase và cho lên men rượu. Như vậy giai đoạn thứ hai là giai đoạn sử dụng các hoạt tính của vi sinh vật – giai đoạn này được đánh dấu bằng việc đặt cơ sở khoa học cho quá trình sản xuất đồ uống chứa cồn.1: Các nhà vi sinh vật học tiêu biểu trong giai đoạn 2 Louis Pasteur (1822 – 1895) Emil Christian Hansen (1842 – 1909) Eduard Buchner (1860 – 1917) Giai đoạn 3: Giai đoạn công nghiệp kháng sinh, hóa chất và sinh tổng hợp điều khiển được tính từ năm 1941 – 1970, bao gồm sự xuất hiện của các chất kháng sinh, những tiến bộ về di truyền học trong việc chọn lọc các thể đột biến vi khuẩn, sự nghiên cứu các điều kiện lên men tối ưu, kỹ thuật học lên men, việc tách và tinh chế sản phẩm,… Giai đoạn này được đặc trưng bởi sự phát triển của một nền công nghiệp vi sinh vật độc lập.
Người ta đã điều khiển được các quá trình sinh tổng hợp ở vi sinh vật và tạo ra được hàng loạt các chủng đột biến ở vi sinh vật. Nhờ các thành tựu này mà người ta đã sản xuất ở quy mô lớn mì chính (bột ngọt), lysine và nhiều loại amino acid khác. 3 Giai đoạn 4: (giai đoạn hiện nay) được đánh dấu bằng sự phát hiện ra các enzyme cắt giới hạn restrictase và các plasmid với sự gắn các gene lạ mang các thông tin tổng hợp các protein đặc biệt vào một cơ thể đã trở thành một phương pháp thông dụng và sự kiểm soát ngày càng tốt hơn sự biểu hiện của các gene này.2: Các nhà vi sinh vật học tiêu biểu trong giai đoạn 3 Alexander Fleming (1881 – 1995) Francis Crick (1916 – 2004) James Dewey Watson – 1928 Joshua Lederberg – 1925 1. Định nghĩa về lên men: Quá trình lên men là hoạt động sống của tế bào vi sinh vật trong môi trường.
Quá trình này xảy ra ở điều kiện tự nhiên và quá trình sản xuất công nghiệp.3: Khái niệm về quá trình lên men (Nguồn: Nấm men công nghiệp – Lương Đức Phẩm) 4 Chú dẫn: 1- lên men rượu (Saccharomyces) 2 - lên men lactic của vi khuẩn lactic 3 - lên men propionic của vi khuẩn Propionic 4a - lên men formic của vi khuẩn đường ruột (E.coli…) 4b - lên men butadiol , một dạng lên men đặc biệt của lên men formic 5 - lên men butyric của Clostridium Quá trình lên men trong điều kiện tự nhiên, được thực hiện bởi các vi sinh vật tự nhiên và vật chất lên men có trong tự nhiên. Quá trình lên men trong sản xuất công nghiệp là quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi sinh vật, tế bào hay enzyme của chúng, được kiểm soát từ giống vi sinh vật, cơ chất của phản ứng sinh học, quá trình phản ứng sinh học và quá trình thu nhận, tinh chế sản phẩm. Bản chất của quá trình sản xuất theo quy mô công nghiệp là sản phẩm của quá trình có định hướng rõ ràng, quy trình sản xuất được kiểm soát từ khâu sản xuất giống đến quá trình lên men và cuối cùng là quá trình thu nhận sản phẩm. Các quá trình lên men công nghiệp thực chất là thực hiện và kiểm soát được những công việc cơ bản sau: Tạo giống và nâng cao chất lượng giống Tính toán, thiết kế và chế tạo các thiết bị lên men phù hợp với công nghiệp và sản phẩm Thực hiện các kỹ thuật trong lên men Tách, thu nhận và tinh chế sản phẩm 1.
Giới thiệu về sản phẩm từ sinh khối vi sinh vật: Sinh khối vi sinh vật là khối lượng tế bào vi sinh vật còn sống. Sinh khối nấm men làm nở bột mì là sinh khối men Saccharomyces cerevisiae còn sống, còn hoạt tính lên men rượu, khi trộn với bột mì sẽ lên men rượu, giải phóng ra CO2 làm phồng gluten (protein trong bột mì), bột nhào nở làm cho bánh mì xốp. Chuẩn bị môi trường nuôi cấy vi sinh vật công nghiệp: 5 Nguyên liệu môi trường nuôi cấy: Tiêu chuẩn môi trường nuôi cấy vi sinh vật quy mô công nghiệp: - Năng suất tối đa sản phẩm (SP)/ sinh khối (SK), (đơn vị g, kg) - Nồng độ SP/SK tối đa (g/l) - Tốc độ tạo SP/SK tối đa (g/h) - Sản phẩm phụ tối thiểu - Chất lượng các mẻ đồng đều (phụ thuộc vào nguyên liệu lên men) - Dễ dàng chuẩn bị, tiệt trùng môi trường - Đơn giản hóa các quá trình khác (sục khí, trích ly, tinh chế, xử lý chất thải) - Giảm thiểu giá thành Môi trường tự nhiên: (có thành phần không xác định, được chế tạo từ thực vật hay động vật) Nguồn cacbon: - Rỉ đường mía,củ cải - Hạt ngũ cốc - Cám gạo, mì Nguồn nitơ: - Dịch ép lõi ngô - Bánh dầu nành, phộng - Phế thải lò mổ - Phế thải công nghệ lên men Ưu điểm và nhược điểm: - Ưu điểm: rẻ - Nhược điểm: + Thành phần thay đổi + Nhiều sản phẩm phụ + Chất lượng không ổn định Môi trường tinh chế: (có thể xác định được thành phần các nguồn cơ chất) Nguồn cacbon: 6 - Tinh bột mì, khoai tây - Đường saccharose - Đường glucose Nguồn nitơ: - NH4+ (từ vô cơ) - NO3- (từ vô cơ) - Urea (từ chất hữu cơ) Ưu điểm và nhược điểm: - Ưu điểm: + Chất lượng ổn định + Ít chi phí thu hồi sản phẩm + Ít chi phí xử lý chất thải - Nhược điểm: đắt tiền Hướng khắc phục: Cần phải kết hợp giữa môi trường tự nhiên và môi trường tinh chế để tối ưu hóa môi trường: - Tìm nguồn nguyên liệu rẻ hơn - Dễ nuôi cấy - Đảm bảo vi sinh vật phát triển tốt trong môi trường nuôi cấy 1. Chuẩn bị giống cho lên men công nghiệp: Nhu cầu phát triển trong giai đoạn nhân giống: Tiêu chuẩn giống vi sinh vật công nghiệp: - Vi sinh vật ở trạng thái hoạt động giảm thiểu thời gian pha lag (pha thích nghi) - Thể tích giống cấy tối ưu - Hình thái vi sinh vật thích hợp - Không nhiễm - Bảo đảm năng suất sản phẩm Môi trường nuôi cấy giống: 7 Phải đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật để vi sinh vật tăng trưởng chứ không phải tổng hợp sản phẩm.
Do đó môi trường nhân giống không giống với môi trường lên men trong sản xuất. Giảm thiểu pha lag trong giai đoạn lên men, do đó môi trường nhân giống phải tương tự môi trường lên men. Các thông số quan trọng cần giữ không đổi trong môi trường nhân giống và môi trường lên men (pH, áp suất thẩm thấu, thành phần ion). Tỷ lệ giống: Thể tích giống = 3 – 10 % thể tích môi trường.
- Nếu thể tích giống thấp sẽ gây kéo dài pha lag. - Nếu thể tích giống cao hơn 10 % sẽ rút ngắn được pha lag, nhằm đạt sinh khối tối đa trong thời gian ngắn nhất (tăng năng suất), nhưng tăng giá thành. Các phương pháp nuôi cấy trong công nghệ lên men: Có nhiều cách để phân loại các phương pháp lên men. Dựa vào cách nạp liệu và thu hồi bán thành phẩm sau lên men, người ta chia ra lên men gián đoạn, liên tục và bán liên tục.
Lên men gián đoạn thực hiện theo từng mẻ nên thường có năng suất thấp và chu kỳ sản xuất bị kéo dài. Lên men liên tục thì ngược lại, nguyên liệu liên tục vào và sản phẩm sau quá trình lên men liên tục đi ra. Lên men bán liên tục là hình thức kết hợp giữa hai phương pháp trên. Dựa vào thành phần đồng nhất hay không đồng nhất của canh trường người ta chia ra lên men bề mặt (nổi), lên men bề sâu (chìm) và bán rắn.
Trong lên men bề mặt, vi sinh vật phát triển trên bề mặt của môi trường cấy và lấy không khí từ mặt thoáng của môi trường. Phương pháp này thường sử dụng để sản xuất acid citric và một số enzyme. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là tốn kém bề mặt. Tuy nhiên do đầu tư ít nên chừng mực nào đó vẫn được sử dụng.
Lên men bán rắn là phương pháp trung gian giữa lên men bề mặt và lên men bề sâu. Hàm lượng nước trong môi trường chiếm khoảng 70 % chất khô. Một số 8 enzyme hiện nay được sản xuất theo phương pháp này. Người ta cải tiến phương pháp này bằng thiết bị thùng quay nhằm cung cấp đủ oxi cho quá trình lên men và thực hiện luôn khâu sấy khô sau lên men.
Điều khó khăn là do sự truyền nhiệt kém của các chất độn nên khó thực hiện khâu thanh trùng. Lên men chìm là phương pháp được sử dụng nhiều nhất. Nó có thể cho phép kiểm soát được toàn bộ quá trình lên men một cách thuận lợi, ít tốn kém mặt bằng. Do hệ thống khuấy trộn tốt nên toàn bộ môi trường nuôi cấy là một hệ thống nhất.
Thu hồi sản phẩm trong công nghệ lên men: Để thu hồi sản phẩm phải trải qua nhiều bước. Số lượng các bước phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu, nồng độ ban đầu, sự ổn định về mặt sinh học của các sản phẩm và mức độ yêu cầu về độ tinh khiết của sản phẩm. Bước đầu của việc thu hồi sản phẩm là tách tế bào và các sản phẩm không hòa tan ra khỏi dịch lên men bằng cách lọc hoặc lắng. Để trích ly các sản phẩm bên trong tế bào thì phải phá vỡ tế bào bằng các phương pháp vật lý (siêu âm, ép, lạnh đông rồi để tan…) hoặc các phương pháp hóa học (sử lý bằng acid, trích ly bằng axeton,…) hoặc bằng phương pháp sinh học (dùng enzyme).
Nếu sử dụng acid thì sản phẩm phải bền vững trong môi trường acid. Các sản phẩm lên men có trong môi trường ít thì phải làm đậm đặc.Các phương pháp thường dùng để tách sản phẩm như: lọc, ly tâm, lắng, trích ly, sắc ký , cô đặc, kết tủa, kết tinh, sấy khối, nghiền,… 1. Giới thiệu về nấm men bánh mì: 1. Tình hình sản xuất nấm men bánh mì trên thế giới: Các công ty sản xuất men bánh mì tại Trung Quốc: - Công ty thực phẩm Just Long là công ty TNHH sản xuất nấm men bánh mì được thành lập vào năm 1995 và đến nay đã mở rộng kinh doanh cho hơn 10 quốc gia khắp thế giới.