Ôn Thi KTLM PDF

**LÝ THUYẾT** +-----------------------------------------------------------------------+ | **Câu 1: Trình bày vắn tắt quy trình lên men công nghiệp** | | | | I. **Quy trình lên men**...

**LÝ THUYẾT** +-----------------------------------------------------------------------+ | **Câu 1: Trình bày vắn tắt quy trình lên men công nghiệp** | | | | I. **Quy trình lên men** | | | | | | | | 1. **Vẽ sơ đồ quy trình** | | | | | | | | 2. **Mô tả vắn tắt từng bước của quy trình** | | | | 1. ***Tuyển chọn giống*** | | | | **Tiêu chí:** | | | | - Đặc tính dinh dưỡng của chủng (dùng cơ chất thông dụng, rẻ tiền) | | | | - Nhiệt độ tối thích của chủng (chọn chủng có nhiệt độ tối thích | | cao, giảm chi phí hệ thống giải nhiệt trong lên men công nghiệp) | | | | - Tính ổn định của chủng trong quá trình sử dụng | | | | - Năng suất sinh tổng hợp sản phẩm cao | | | | - Dễ thu hồi sản phẩm | | | | **Các phương pháp tuyển chọn giống:** | | | | - Phương pháp truyền thống | | | | | | | | - Phân lập từ môi trường tự nhiên với môi trường chọn lọc | | | | - Tiến hành sàng lọc để chọn chủng có đặc tính mong đợi | | | | - Đánh giá tuyển chọn giống đáp ứng yêu cầu | | | | | | | | - Phương pháp hiện đại | | | | | | | | - Dùng công nghệ gen, sinh học phân tử để tạo chủng với những thuộc | | tính mong đợi | | | | 2. ***Giữ giống*** | | | | **Mục đích**: đảm bảo được nguồn cung cấp giống ổn định cho nghiên | | cứu và sản xuất. | | | | **Yêu cầu**: | | | | - Duy trì hoạt tính giống | | | | - Ổn định về mắt số lượng | | | | - Không bị tạp nhiễm | | | | **Phương pháp**: | | | | - Giữ giống ở nhiệt độ thấp | | | | | | | | - Môi trường thạch nghiêng có phủ 1 lớp dầu bảo vệ: | | | | - Giữ giống trong nitơ lỏng (đông sâu) có bổ sung chất bảo vệ | | | | | | | | - Giữ trong điều kiện khử nước | | | | | | | | - Nuôi cấy khô: | | | | - Giữ ở điều kiện khử nước trong giá thể (trong cát/đất, trên | | silicagel/hạt ngũ cốc) | | | | - Phương pháp đông khô. | | | | 3. ***Hoạt hóa giống*** | | | | **Mục đích**: khôi phục lại hoạt tính sau thời gian giữ giống | | | | **Phương pháp**: cấy chuyền giống trên môi trường thạch nghiêng trong | | ống nghiệm/trên đĩa thạch (ống nghiệm → đĩa petri → chọn khuẩn lac) | | | | **Yêu cầu**: | | | | - Đảm bảo hoạt tính của chúng cao | | | | - Tạo điều kiện tối ưu để chủng phát triển | | | | - Không bị tạp nhiễm | | | | 4. ***Nhân giống cấp 1, 2*** | | | | **Mục đích**: tạo một lượng sinh khối đủ lớn để đưa vào quy trình sản | | xuất, | | | | **Yêu cầu:** | | | | - Đảm bảo hoạt tính của chủng cao (dừng cuối log phase) | | | | - Tạo điều kiện tối ưu để chủng phát triển | | | | - Không bị tạp nhiễm | | | | **Phương pháp:** có thể thực hiện qua nhiều cấp khác nhau tùy quá | | trình | | | | - Nhân giống sơ cấp: thực hiện trong clean room, cần đánh giá thông | | số trước khi đưa vào sx, phải đảm bảo không tạp nhiễm | | | | - Nhân giống thứ cấp: thực hiện ở xưởng sx, thể tích nạp giống tăng | | dần, mục đích tạo sk nhiều, hoạt tính tốt cho sx. | | | | 5. ***Lên men sản xuất*** | | | | 1. **Các phương pháp lên men công nghiệp** | | | | 1. **Lên men mẻ** | | | | | | | | - Nuôi cấy khép kín, giới hạn về dinh dưỡng, (không bổ sung cơ chất | | trong quá trình lên men), trải qua 4 phase ( lag phase, log | | phase, phase ổn định và phase suy vong). | | | | 2. **Lên men liên tục** | | | | | | | | - Log phase được duy trì bằng cách bổ sung nguyên liệu vào nồi lên | | men và quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi nồi lên men | | đầy. | | | | - Dịch lên men được chiết ra liên tục trong quá trình nuôi cấy (có | | thể có hồi lưu sinh khối). | | | | - Thời gian nuôi dài, áp dụng cho chủng ổn định hoạt tính. | | | | 3. **Lên men fed-batch** | | | | - Ban đầu nuôi cấy mẻ, sau đó nguyên liệu được nạp vào nồi (nạp | | liên tục/gián đoạn), có thể chiết dịch ra hoặc không. | | | | - Cơ chất nạp vào có thể giống thành phần môi trường ban đầu hoặc | | chỉ một số cơ chất giới hạn (nếu nồng độ cao hơn là lên men không | | thay đổi thể tích, nếu nồng độ như cũ là có thay đổi thể tích) | | | | - Thời gian nuôi ngắn hơn lên men liên tục, áp dụng cho các chủng | | dễ biến đổi hoạt tính. | | | | 2. **Kiểm soát lên men** | | | | 4. **Tăng trưởng** | | | | - Hoạt động hạn chế sự tăng trưởng của chủng trong những giai đoạn | | cần thiết của quá trình lên men (do giới hạn về công suất của nồi | | → kiểm soát để phù hợp với công suất thiết kế) | | | | - Cần biết lượng sinh khối để kiểm soát, các cách xác định: đếm | | trực tiếp, đếm khuẩn lạc, đo mật độ quang, đo chỉ số trao đổi | | chất (O2 hấp thụ, CO2 sinh ra) | | | | - Phương pháp: bổ sung các chất ức chế tăng trưởng (Tween 40, 60, | | penicilin); Thay đổi yếu tố sinh lý (to, pH); Giới hạn hàm lượng | | cơ chất giới hạn. | | | | 5. **pH/Nhiệt độ/DO** | | | | - **pH:** đảm bảo pH sinh lý của tế bào (pH cho hệ enzyme hđ) trong | | quá trình phát triển & sinh tổng hợp các chất. Tác nhân điều | | chỉnh pH trong quá trình lên men là acid hoặc kiềm, yêu cầu tác | | nhân điều chỉnh: rẻ, dễ hấp thụ & tự động hóa, k làm thay đổi thể | | tích & áp suất thẩm thấu nhiều. | | | | - **Nhiệt độ**: đảm bảo đúng nhiệt độ tối thích của chủng. Trong | | quá trình nuôi, nhiệt độ có thể thay đổi do hđ của vsv hoặc các | | tác động lý học như khuấy trộn, nhiệt từ không khí sục vào. | | | | - **Hàm lượng oxygen hòa tan:** Vai trò của oxygen là tạo ATP & tái | | tạo NAD(P) từ NAD(P)H2. Hàm lượng oxygen hòa tan trong môi trường | | lên men đc kiểm soát bằng cách: cung cấp không khí/oxygen dạng | | khí; khuấy trộn dịch men; Tạo áp suất khí trong trong nồi lên | | men. | | | | 6. **Feed** | | | | **Yêu cầu**: Nạp đủ, không dư (gây thiếu oxy), không thiếu (hạn chế | | tăng trưởng) | | | | **Mục đích**: | | | | - Tăng sinh khối tham gia tổng hợp sản phẩm, kéo dài thời gian nuôi | | cấy & tăng nồng độ sản phẩm. | | | | - Hạn chế ảnh hưởng của áp suất thẩm thấu lên vsv, trong môi trường | | ban đầu nồng độ cơ chất giới hạn thường ở mức phù hợp, không quá | | cao. | | | | - Cần duy trì nồng độ cơ chất giới hạn thích hợp nhằm kiểm soát sự | | tăng trưởng & sinh tổng hợp sản phẩm & giới hạn sự hình thành các | | sản phẩm phụ | | | | **Phương pháp**: | | | | - Bổ sung liên tục: Tốc độ bổ sung cố định, tăng dần theo từng | | bước/theo hàm số mũ. Khó thực hiện | | | | - Bổ sung gián đoạn: Bổ sung 1 số lần nhất định, lần sau cao hơn | | lần trước, nồng độ cơ chất thay đổi đột ngột gây sốc tế bào. | | | | 7. **Bọt** | | | | Bọt được tạo ra từ kk sục vào hoặc CO2 sinh ra trong quá trình lên | | men, trong 1 số trường hợp bọt trở nên bền (do có các chất hấp phụ bề | | mặt hoặc có sự cân bằng giữa đầu ưa nước & kị nước) | | | | **Những trở ngại gây nên:** | | | | - Tách tế bào vi khuẩn ra khỏi bề mặt dịch lên men → hiện tượng tự | | phân xảy ra mạnh, mất sinh khối đồng thời càng tạo nên sự bền | | vững cho bọt. | | | | - Tế bào trong phase bọt không được đảm bảo các điều kiện thích hợp | | → suy giảm hoạt tính giống. | | | | - Giảm thể tích sử dụng của nồi lên men. | | | | - Bọt trào ra ngoài gây thất thoát một lượng lớn tế bào, giảm hiệu | | suất & sản lượng lên men; gây ô nhiễm môi trường làm việc. | | | | **Kiểm soát bọt:** | | | | - Kiểm soát trước quá trình: Xử lý nguyên liệu, làm giảm khả năng | | tạo bọt trước khi đưa vào quy trình. | | | | - Ngăn chặn sự tạo bọt bằng cách loại trừ các yếu tố gây nên như | | thay đổi pH, nhiệt độ, thành phần môi trường.... | | | | - 1 số phương pháp chống bọt: pp hóa học, pp nhiệt, pp cơ học | | | | | | | | - Phương pháp hóa học: | | | | | | | | - Chất phá bọt: độ hòa tan thấp, sức căng bề mặt kém, khả năng | | khuếch tán cao, không ảnh hưởng đến qt lên men, không sử dụng bởi | | vsv. | | | | - Cơ chế: giảm sức căng bề mặt → suy giảm tính ổn định của bọt, khó | | tạo bọt & gây bể bọt. Bổ sung chất phá bọt theo thời gian, theo | | tín hiệu ampere kế hoặc theo thiết bị cảm biến bọt | | | | | | | | - Phương pháp cơ học: Sử dụng kết hợp chất phá bọt. | | | | | | | | - Cơ chế: thay đổi áp suất đột ngột, tạo lực kéo, nén áp, lực tác | | động ảnh hưởng | | | | II. **Hệ thống thiết bị** | | | | | | | | 1. **Bồn lên men → vẽ hình → chú thích** | | | |  | | | | 2. **Thiết bị cảm biến → bao gồm ở mục trên** | | | | - Hệ thống các đầu dò cảm biến (sensor) để điều khiển pH, nhiệt độ, | | độ oxygen hòa tan (DO2), phá bọt tự động,\... | | | | 3. **Các thiết bị phụ trợ** | | | | - Lò hơi: cung cấp hơi nước với áp suất \> 1,5 kgf/cm2 phục vụ cho | | việc khử trùng nồi lên men và môi trường nuôi cấy. | | | | - Máy nén không khí: cung cấp không khí với áp suất \> 1,0 kgf/cm2 | | nhằm sục khí cho nồi lên men. | | | | - Máy giải nhiệt nước: cung cấp nước làm mát cho nồi lên men nhằm | | duy trì nhiệt độ nuôi cấy. | | | | **Câu 2: Trình bày vắn tắt các vấn đề liên quan đến việc chuẩn bị môi | | trường trong lên men công nghiệp** | | | | 1. **Nêu mục đích và yêu cầu môi trường nuôi cấy** | | | | **Mục đích:** Thiết kế môi trường chứa thành phần thích hợp, đảm bảo | | đủ lượng cho chủng vi sinh vật tăng trưởng, phát triển, tăng sinh | | khối, duy trì mật độ tế bào và thực hiện quá trình trao đổi chất nội | | bào để tạo ra các sản phẩm hữu ích | | | | **Yêu cầu:** | | | | - Tăng cường tối đa hiệu suất và nồng độ tạo sinh khối hoặc/và sản | | phẩm | | | | - Cho phép tạo được tốc độ sản xuất tối đa | | | | - Hạn chế đến mức tối thiểu hiệu suất tổng hợp các sản phẩm không | | mong muốn. | | | | - Ổn định chất lượng và sẵn sàng cho sử dụng quanh năm | | | | - Hạn chế đến mức tối thiểu các vấn đề nảy sinh trong quá trình | | chuẩn bị và khử trùng môi trường. | | | | - như gây trở ngại cho việc khuấy trộn, chiết tách, tinh sạch và xử | | lý chất thải | | | | 2. **Vẽ sơ đồ quy trình chuẩn bị môi trường lên men công nghiệp** | | | | **Người** | | | | 3. **Thiết kế môi trường lên men** | | | | 1. **Phản ứng** | | | | Phương trình cân bằng vật chất trong quá trình lên men được mô tả như | | sau: | | | | \[C và E\] + \[N\] + O2 + Các yếu tố khác → Sinh khối + Sản phẩm + | | CO2 + H2O + Nhiệt | | | | 2. **Công thức ước định chung của vi sinh vật** | | | | - Công thức chung của vi sinh vật là: CH~1,8~O~0,5~N~0,2~. Trọng | | lượng phân tử tế bào theo công thức là 24,6. | | | | 4. **Các thành phần của môi trường** | | | | 3. **Nguồn đa lượng** | | | | Yếu tố đa lượng bao gồm: nguồn nước, nguồn carbon, nguồn nitơ. | | | | **Nguồn nước:** | | | | - Tế bào vi sinh vật chứa 70% nước → Yếu tố quan trọng trong môi | | trường lên men | | | | - Yêu cầu nguồn nước: | | | | | | | | - Ổn định | | | | - Sạch | | | | - Đảm bảo các yếu tố: pH, muối khoáng hòa tan, không tạp khuẩn | | | | **Nguồn năng lượng** | | | | - Năng lượng thường từ sự oxy hóa các thành phần dinh dưỡng trong | | môi trường hoặc là từ ánh sáng. Hầu hết trong công nghiệp vi | | sinh, các chủng thường dùng là hóa dưỡng nên nguồn năng lượng | | thông dụng nhất là nguồn carbon. | | | | **Nguồn carbon** | | | | - Nguồn carbon có ảnh hưởng đến sự tổng hợp sinh khối hay các sản | | phẩm trao đổi sơ cấp và thứ cấp. | | | | - Lựa chọn dựa trên các yếu tố: | | | | | | | | - Sản phẩm chính của quá trình | | | | - Giá thành sản phẩm | | | | - Độ tinh khiết của nguyên liệu (các ion kim loại) | | | | | | | | - Nguồn C: Carbohydrate, mật rỉ mía đường, mật rỉ củ cải đường, | | dầu, mỡ, hydrocacbon và các dẫn xuất, cellulose, các vsv có cơ | | chế cố định CO2 từ không khí | | | | **Nguồn nitrogen** | | | | - Hầu hết các chủng sử dụng được cả nitrogen vô cơ & hữu cơ. | | | | - Một vài vsv tăng trưởng nhanh hơn khi dùng nguồn N hữu cơ | | | | - Một số chủng vi sinh vật đòi hỏi một số amino acid nhất định | | cho tăng trưởng | | | | - Yếu tố để lựa chọn nguồn nitrogen: sản phẩm chính, giá thành, sự | | tương thích với vsv | | | | - Nguồn nitrogen và nồng độ có thể ảnh hưởng đến sự sản xuất kháng | | sinh và các chất trao đổi thứ cấp. | | | | 4. **Nguyên tố khoáng trung ‐ vi lượng** | | | | | | | | - Yếu tố vi lượng gồm: muối khoáng, vitamin, các chất hỗ trợ tăng | | trưởng, chất kiểm soát. | | | | - Hầu hết vi sinh vật đòi hỏi một số nguyên tố trung-vi lượng nhất | | định cho sự tăng trưởng và trao đổi chất. | | | | - Tùy môi trường mà nồng độ yêu cầu cũng khác nhau và do chất lượng | | của nguồn nguyên liệu không ổn định nên cần phân tích môi trường | | nuôi cấy để thỏa nhu cầu của vi sinh vật | | | | 5. **Nguồn bổ sung/kiểm soát tăng trưởng/cảm ứng** | | | | **Chất kìm (Chelator)** | | | | - Mục đích: bổ sung chelator nồng độ thấp để giải quyết chất lắng | | cặn (ở dạng phức hợp của phosphate không tan) màu trắng hình | | thành do kim loại gây ra làm ảnh hưởng đến hàm lượng các chất cần | | thiết cho sự phát triển của vi sinh vật, gây bất lợi cho quá | | trình thu hồi sản phẩm, khó khăn trong việc vệ sinh thiết bị | | | | - Lưu ý: | | | | | | | | - Chelator không được gây ức chế các chủng vi sinh vật | | | | - Quy mô công nghiệp không cần chelator do các thành phần như dịch | | chiết nấm men, pepton sẽ tạo phức với kim loại và được giải phóng | | sau đó | | | | **Nhân tố tăng trưởng** | | | | - Cần thiết với một số chủng không thể tổng hợp toàn bộ các thành | | tố cấu tạo tế bào (vitamin, acid béo hoặc sterol...,) | | | | - Một số trường hợp các nhân tố tăng trưởng có sẵn trong thành phần | | khác của mtr không đủ để đáp ứng nhu cầu của vi sinh vật nên phải | | bổ sung vào. | | | | **Các chất đệm pH** | | | | - pH tối ưu giúp thu nhận được sinh khối với năng suất tối đa | | | | - Một số thành phần dinh dưỡng có thể là chất đệm điều chỉnh pH ở | | một giá trị ổn định | | | | **Chất tiền thân (Precursor):** Một số hóa chất khi bổ sung vào một | | số loại môi trường sẽ hỗ trợ trực tiếp cho việc tổng hợp một sản phẩm | | mong muốn | | | | **Chất kìm hãm:** Khiến một sản phẩm đặc trưng nhất định sẽ được tổng | | hợp nhiều hơn hoặc một chất trao đổi trung gian theo con đường thông | | thường sẽ được tích lũy dần | | | | **Chất cảm ứng** | | | | - Cảm ứng sinh tổng hợp đa số enzyme được sản xuất trong công | | nghiệp | | | | - Hầu hết chất cảm ứng là các cơ chất tương đồng hoặc chất trao đổi | | trung gian hoặc sản phẩm làm chất cảm ứng. | | | | - Trong công nghiệp chỉ cảm ứng khi đã tạo đủ lượng sinh khối trong | | bồn lên men | | | | **Yêu cầu về oxygen** | | | | - Rất quan trọng đối với sự tăng trưởng và sự sinh tổng hợp các sản | | phẩm trao đổi chất của vi sinh vật. | | | | - Yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng oxygen: | | | | | | | | - Cơ chế biến dưỡng nhanh: hàm lượng oxygen nhanh chóng giảm xuống | | khi đồng hóa đường. | | | | - Tính lưu biến của môi trường thấp làm hạn chế sự khuếch tán của | | oxygen | | | | - Nồng độ chất phá bọt cao làm độ hòa tan của oxygen trong môi | | trường sẽ giảm đáng kể | | | | 5. **Khử trùng môi trường** | | | | **Mục đích:** loại bỏ các yếu tố gây tạp nhiễm sinh học nhằm nâng cao | | hiệu quả của quy trình lên men sản xuất hoặc thí nghiệm | | | | **Kiểm soát điều kiện vô trùng:** | | | | - Giống không bị tạp nhiễm | | | | - Khử trùng nồi lên men, môi trường, nguyên liệu bổ sung | | | | - Duy trì điều kiện vô trùng trong quá trình nuôi cấy | | | | **Yêu cầu:** | | | | - Loại bỏ toàn bộ/một phần các tác nhân gây nhiễm sinh học (tế bào | | sinh dưỡng/bào tử) | | | | - Không tạo sự biến đổi chất/chất lượng các thành phần trong môi | | trường. Không tạo các chất kìm hãm/ức chế sự phát triển của chủng | | | | - Tác nhân khử trùng không độc hại, đơn giản, rẻ tiền, dễ áp dụng | | quy mô lớn, dễ tự động hóa... | | | | **Tác nhân**: thường sử dụng hơi nước nóng bão hòa | | | | **Đặc điểm:** cường độ khử trùng có ảnh hưởng đến chất lượng môi | | trường sau khử trùng | | | | - Cường độ khử trùng = thời gian.nhiệt độ | | | | | | | | - Nếu tăng mức độ nghiêm ngặt → biến đổi chất lượng môi trường | | | | - pH và nồng độ các thành phần trong môi trường ảnh hưởng đến hiệu | | quả khử trùng | | | | **Phương pháp:** | | | | - Khử trùng gián tiếp: không thay đổi thể tích môi trường | | | | - Khử trùng trực tiếp: thay đổi thể tích môi trường | | | | **Các yếu tố tác động khi khử trùng môi trường** | | | | - Phản ứng hóa học: xảy ra giữa các thành phần môi trường dưới tác | | động nhiệt | | | | - pH môi trường: thúc đẩy phản ứng hóa học xảy ra | | | | - Cường độ khử trùng, thời gian, nhiệt độ khử trùng | | | | 6. **Đánh giá môi trường** | | | | **Mục đích:** | | | | - Bảo đảm về mặt kỹ thuật: phù hợp, hiệu quả cao | | | | - Yếu tố kinh tế: giá thành sản xuất thấp, tính ổn định | | | | - Yếu tố an toàn cho sản phẩm | | | | **Tiêu chí:** | | | | - Thành phần các chất môi trường | | | | - Hàm lượng nguyên liệu | | | | - Chất lượng nguyên liệu | | | | - Giá cả của nguyên liệu | | | | - Tính ổn định của nguồn nguyên liệu | | | | **Câu 3: Trình bày vắn tắt phương pháp thu hồi - tinh sạch sản phẩm | | lên men công nghiệp** | | | | 1. **Nguyên tắc thu hồi sản phẩm lên men** | | | | **Tiêu chí:** | | | | - Xác định loại môi trường lên men | | | | - Sản phẩm thu nhận là nội hay ngoại bào | | | | - Nồng độ của sản phẩm trong dịch lên men | | | | - Đặc tính lý - hóa của sản phẩm | | | | - Mục đích sử dụng của sản phẩm | | | | - Độ tinh khiết thấp nhất chấp nhận được | | | | - Tầm quan trọng của độc tính sinh học của sản phẩm và của dịch lên | | men | | | | - Độ tạp chất trong dịch lên men | | | | - Giá cả thị trường của sản phẩm | | | | **Các thông số liên quan của giai đoạn lên men và thu hồi sản phẩm:** | | | | - Thời gian thu hoạch: cần xử lý một số ez ngay sau khi thu nhận | | dịch lên men | | | | - Sự sản xuất các phân tử màu, chất phá bọt có thể cản trở quy | | trình thu hồi, tinh sạch | | | | - Lực ion: hàm lượng các ion quá cao dẫn đến việc cần phải pha | | loãng dịch nổi sau ly tâm trước khi đến công đoạn xử lý. | | | | - Thành phần môi trường nuôi cấy | | | | 2. **Lập sơ đồ thu hồi sản phẩm** | | | | | | | | 3. **Mô tả vắn tắt các bước của quy trình** | | | | 1. **Tách chiết tế bào** | | | | **Mục đích:** thu nhận tế bào và các nguyên liệu không tan nhờ lọc/ly | | tâm (Có thể dùng hệ thống hỗ trợ nhằm tăng cường tốc độ tách loại) | | | | **Phương pháp:** | | | | - **Lắng tủa:** sử dụng nhiều trong thu nhận protein. Cách thúc đẩy | | quá trình: | | | | | | | | - Phương pháp tạo keo tụ: thay đổi pH, bổ sung chất làm đông tụ | | (muối KL, cation, chất đa điện phân, hàn the), bổ sung các loại | | keo điện tích nghịch | | | | - Gia nhiệt dung dịch lên men | | | | | | | | - **Ly tâm:** Dựa vào trọng lượng tế bào, lực ly tâm càng lớn tách | | càng dễ (lực phụ thuộc vào tốc độ và bán kính thùng quay) | | | | - **Lọc:** sử dụng để thu sinh khối các chủng có kích thước tế bào | | lớn. | | | | | | | | - Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc: chênh lệch áp suất, vật ngăn | | lọc → thường bổ sung chất trợ lọc. | | | | - Các phương pháp lọc thường sử dụng: lọc chân không thùng quay, | | lọc khung bản, lọc tiếp tuyến | | | | | | | | - **Tạo bọt:** phân tách dựa trên khác biệt về độ hoạt động bề mặt | | (tb được kéo theo các bọt khí ra khỏi pha lỏng) | | | | 2. **Phá tế bào** | | | | **Mục đích**: thu hồi sản phẩm bên trong tế bào (protein, enzyme, | | acid nucleic,\...) | | | | **Phương pháp:** | | | | - **Vật lý:** | | | | | | | | - Đông lạnh-giải đông: dành cho tế bào vi khuẩn và tế bào động vật | | hữu nhũ. | | | | - Trượt rắn | | | | - Trượt lỏng: phù hợp phá vỡ tế bào vi khuẩn và nấm men, thường | | dùng trong nông nghiệp | | | | - Nghiền: phù hợp giải phóng protein khỏi tế bào của rất nhiều loài | | vi sinh vật khác nhau. | | | | - Siêu âm,\... | | | | | | | | - **Hóa học:** | | | | | | | | - Áp suất thẩm thấu: không dùng cho tế bào có vách như tế bào thực | | vật, vi khuẩn, nấm men, cần phải xử lý enzyme phá vỡ vách trước | | | | - Tác nhân acid/base: phù hợp tế bào vi khuẩn. | | | | - Chất phá màng: bằng chất tẩy rửa/ bằng dung môi | | | | | | | | - **Sinh học:** enzyme,\... | | | | 3. **Thu sản phẩm thô** | | | | **Mục đích:** tách hoặc loại bỏ các chất khác không phải sản phẩm mục | | tiêu (đường, lipid, muối khoáng,\...) khỏi dịch chiết, thu nhận sản | | phẩm thô. | | | | **Phương pháp:** | | | | - Chiết lỏng - lỏng: chiết tĩnh, chiết ngược dòng,.. | | | | - Thẩm tích: dùng để loại bỏ muối hay tách những phân tử nhỏ, nhưng | | không phân biệt được các loại protein với nhau. | | | | - Kết tủa: | | | | | | | | - Bằng muối | | | | - Dung môi hữu cơ | | | | - Ion kim loại,\... | | | | - Đẳng điểm | | | | - Non - ionic polymer | | | | 4. **Thu sản phẩm tinh** | | | | **Mục đích:** tinh sạch sản phẩm thô thành sản phẩm cuối cùng đạt | | chất lượng cao. | | | | Các phương pháp sắc ký có thể thu được sản phẩm có độ tinh sạch cao, | | dựa vào: | | | | - Kích thước phân tử: Sắc ký lọc gel, phân tử kích thước lớn len | | vào giữa các hạt gel → nhanh , kích thước nhỏ đi vào lỗ gel → | | chậm | | | | | | | | - *Ưu điểm:* đơn giản, chi phí thấp, phân tách tốt những phân tử | | lớn | | | | - *Nhược điểm*: không áp dụng cho thể tích mẫu lớn, độ chính xác | | chưa cao, chỉ tách các phân tử có kích thước khác nhau. | | | | | | | | - Trọng lực: nguyên tắc phân tử nặng sẽ di chuyển ra khỏi cột lọc | | gel nhanh hơn theo chiều trọng lực. | | | | - Lực hút: | | | | | | | | - Ái lực (sắc ký ái lực): để tinh sạch enzyme/tinh chế protein tth, | | dựa trên lực tương tác sinh học (ligand-receptor, kháng | | nguyên-kháng thể,..). | | | | | | | | - *Ưu điểm:* độ chọn lọc cao, tách phân tử đặc hiệu với số lượng | | nhỏ | | | | | | | | - Lực ion: sắc ký trao đổi ion | | | | - Lực Van der Waal: sắc ký hấp phụ | | | | **Câu 4: Trình bày nguyên tắc căn bản ứng dụng để xử lý nước thải | | trong nhà máy lên men công nghiệp** | | | | 1. **Nhận diện chất thải trong quy trình lên men công nghiệp** | | | | 1. **Nguồn gốc chất thải trong lên men công nghiệp** | | | | - Chất thải bao gồm các hợp chất vô cơ, hợp chất hữu cơ, tế bào vi | | sinh vật (chủng nuôi cấy) và nhiều chất rắn lơ lửng. Chất thải | | phát sinh là từ chính các nguyên liệu đầu vào do không sử dụng | | tạo ra. | | | | - *Chất thải rắn*: từ khâu sơ chế nguyên liệu như nguyên liệu rắn | | rơi vãi, vỏ bao bì, nguyên liệu (giấy, nilon,..) là dạng chất | | thải có khả năng phân loại, tận dụng, tái chế | | | | - *Chất thải lỏng*: dịch rò rỉ từ nguyên liệu dạng lỏng , dịch môi | | trường sau khi lên men, các loại dung dịch sau khi vệ sinh thiết | | bị. Tận dụng dưới dạng dùng làm phân bón, chế biến thức ăn chăn | | nuôi hoặc chuyển sang nhà máy xử lý nước thải | | | | 2. **Tiêu chuẩn đầu ra sau xử lý** | | | | | | | | - Tất cả các nguồn phát thải (nếu có) thì trong thành phần của chất | | thải không tồn tại các chất gây độc hại (ví dụ như kim loại nặng, | | cyanua...) | | | | - Đảm bảo được nguồn đầu ra an toàn, không gây ô nhiễm môi trường | | | | - Cần phải hiểu rõ tiêu chuẩn địa phương và đặc tính của loại chất | | thải → xây dựng phương cách xử lý. | | | | - Các tiêu chuẩn đầu ra: | | | | | | | | - TCVN 5945:2010 Tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp -- | | tiêu chuẩn thải | | | | - QCVN 40:2011/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công | | nghiệp | | | | 2. **Các nguyên tắc căn bản trong xử lý chất thải** | | | | 3. **Xử lý vật lý** | | | | - Xử lý vật lý trước xử lý sinh học giúp giảm BOD | | | | - Công đoạn quy trình sơ cấp theo phương pháp vật lý; | | | | | | | | - Lọc để tách bỏ phần tử lơ lửng và nổi trong dịch | | | | - Nghiền nhỏ để giảm kích thước các hạt | | | | - Thổi qua các kênh với tốc độ không đổi (0,3 m/s) để loại bỏ các | | hạt cát sạn để phòng ngừa sự gây hại lên cây trồng (khi dùng cho | | bón cây) hoặc các quy trình sau đó. | | | | - Dùng các bồn lắng để tách bỏ những hạt tử lơ lửng nhỏ. | | | | 4. **Xử lý hoá học** | | | | | | | | - Các phần tử lơ lửng kích thước nhỏ có thể bị lắng tụ khi dùng các | | chất trợ lắng thông dụng (FeSO4, Ca(OH)2, chất điện giải polymer) | | → khử nước bùn lắng này và đưa vào giai đoạn xử lý sau. | | | | - Chất hóa học bổ sung trong xử lý lên men còn có thể để điều chỉnh | | pH để vsv có thể xử lý tốt hơn | | | | 5. **Xử lý sinh học** | | | | | | | | - Sử dụng vi sinh vật để phân hủy sinh hóa các hợp chất hữu cơ | | thành những chất ổn định, sản phẩm cuối cùng là CO2, nước và các | | chất vô cơ khác. Hầu hết các chất thải hữu cơ đều bị phân hủy | | sinh học diễn ra trong điều kiện hiếu khí hoặc/và kỵ khí. | | | | | | | | - *Phương pháp xử lý hiếu khí* | | | | | | | | - Hệ thống màng film sinh học với dòng chảy nhỏ giọt (trickling | | filters): công suất thấp | | | | - Hệ thống tháp: có thể xử lý lượng lớn chất thải | | | | - Hệ thống lọc hiếu khí sinh học: bao gồm các bể chứa có hệ thống | | khí xuyên qua theo dòng từ dưới lên tạo điều kiện cho vi sinh vật | | phát triển tốt, giúp giảm BOD và NH3 và chất thải rắn nên không | | cần đầu tư nhiều bồn lắng. | | | | - Hệ thống đĩa quay tiếp xúc sinh học | | | | - Hệ thống các trống quay: hệ thống dạng trống quay lớn do các ống | | hoặc quả hình cầu làm bằng plastic được kết lại với nhau. | | | | - Hệ thống bể dịch: phương pháp mới, xử lý chất thải với tốc độ | | cao. | | | | - Hệ thống bùn hoạt tính: có sự hiện diện của vi sinh vật xử lý ở | | dạng huyền phù trên các phân tử hữu cơ dạng hạt trong dịch gọi là | | bùn hoạt tính. Nước thải từ bể lắng giúp vi khuẩn khu trú và phát | | triển. | | | | | | | | - Ưu điểm: có thể xử lý 80 -- 90% thành phần hữu cơ | | | | - Nhược điểm: thành phần rắn lơ lửng còn lại sau quá trình có mùi | | khó chịu, cần xử lý thích hợp. | | | | | | | | - *Phương pháp xử lý kị khí* | | | | | | | | - Xử lý yếm khí là quá trình sinh học phân hủy các chất hữu cơ | | trong nước thải trong điều kiện yếm khí. Sản phẩm là khí CH , CO, | | NH và các sản phẩm vô cơ khác. | | | | - Xử lý yếm khí được thực hiện vì: | | | | | | | | - Tăng cường khả năng xử lý trong giai đoạn hiếu khí. | | | | - Giảm định mức sử dụng điện năng. | | | | - Sản phẩm cuối hữu ích. | | | | - Chất hữu cơ được cố định theo dạng ổn định. | | | | - Biến đổi làm bùn dễ bị khử nước hơn. | | | | - Dễ kiểm soát bùn. | | | | - Không cần bổ sung chất dinh dưỡng thiếu trong chất thải. | | | | | | | | - Quá trình chuyển hóa bao gồm: | | | | | | | | - Phân hủy (hydrolysis): thủy phân các chất có phân tử lượng cao | | thành monomer hoặc polymer phân tử lượng thấp hơn nhờ enzyme của | | vi sinh vật. | | | | - Acid hóa (Acidogenesis): vi sinh vật lên men sản phẩm của quá | | trình thủy phân thành chất bay hơi như HCOOH, CH COOH, NH3,... | | | | - Acetate hóa (Acetogenesis): chuyển hóa sản phẩm của quá trình | | acid hóa để thuận lợi cho methane hóa. | | | | - Methane hóa (Methanogenesis): phân hủy sản phẩm giai đoạn trước | | thành CO và CH4 | | | | 3. **Ứng dụng trong việc xử lý chất thải lên men công nghiệp** | | | | 6. **Nêu vắn tắt một quy trình xử lý cơ bản trong lên men công | | nghiệp** | | | | - Xử lý sơ cấp: dùng phương pháp vật lý, phương pháp hoá học-lắng, | | đông tụ | | | | - Xử lý thứ cấp: dùng phương pháp sinh học (bùn hoạt tính) sau khi | | xử lý sơ cấp. | | | | - Xử lý cấp 3: dùng phương pháp vật lý, hóa học hoặc sinh học (dùng | | microstrainers, lọc cát và dùng để tưới cỏ) để cải thiện chất | | lượng của dịch thải từ các giai đoạn trước. | | | | - Bùn hoạt tính và xả bỏ: dùng phương pháp vật lý, hóa học và sinh | | học. Dùng phương pháp xử lý hiếu khí để kiểm soát bùn (làm cho | | bùn thải trở nên dễ dàng bị khử nước). | | | |  | | | | 4. **Định hướng mới trong việc quản lý chất thải lên men công | | nghiệp** | | | | 7. **Thay đổi từ "xử lý chất thải" qua "quản trị chất thải" tiến | | đến hiện thực hoá Zero emission concept** | | | | - Khẩu hiệu zero emission trong quy trình sản xuất được áp dụng ở | | nhiều công ty nhằm giảm thiểu gánh nặng xử lý chất thải không | | thân thiện với môi trường & giảm chi phí sản xuất. | | | | - Chất thải phát sinh là từ chính các nguyên liệu đầu vào do không | | sử dụng tạo ra, chất thải nhiều nghĩa là thất thoát nhiều. Do đó, | | giảm thiểu nguồn phát thải giúp hạ giá thành sản phẩm. Cần đầu tư | | cải tiến công nghệ tăng hiệu quả sản xuất và quản lý chuỗi sản | | xuất từ khâu thu mua nguyên liệu, hoạch định tạo sản phẩm và cung | | ứng. | | | | - Chất thải phát sinh cần tìm cách tái chế/tái sử dụng để vừa giảm | | chi phí xử lý vừa tạo giá trị cho các chất thải này. | | | | 8. **Thực hành giảm thiểu phát thải dựa trên nguyên tắc 3R/3T → | | 5R+1R** | | | | **3R:** Reduce - Reuse - Recycle → **3T:** Tiết giảm - Tái sử dụng - | | Tái chế | | | | **5R:** Refuse - Reduce - Reuse - Recycle - Rot → **5R+1R:** Refuse - | | Reduce - Reuse - Recycle - Rot + Rethink | | | | Từ chối lãng phí - Tiết kiệm - Tái sử dụng - Tái chế - Phân hủy xanh | | + Thay đổi cách hoạt động | | | | Giảm thải thay vì xử lý phát thải | | | | - Tăng hiệu suất tổng hợp → giảm phát thải | | | | - Trực quan hóa xem chất thải sinh ra từ đâu → tìm cách giảm | | | | - Nếu đã có chất thải, tìm cách reuse và recycle | | | | Trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất: NSX phải chịu trách nhiệm về | | sản phẩm cũng như phát thải của mình → hỗ trợ xử lý rác thải của mình | +-----------------------------------------------------------------------+ **CÔNG THỨC** +-----------------------------------------------------------------------+ | - CT: Culture time, thời gian nuôi cấy. CT = t - t~o~ | | | | 1. **Phương pháp mẻ** | | | | - (lnXt - lnXt0) = μ.(t - t0) | | | | | | | | - X~0~: lượng sinh khối ban đầu. X~o~ = I~o~.V~inn~ | | | | - X~t~: lượng sinh khối sau thời gian nuôi cấy t (giờ) | | | | | | | | - V = V~inn~ + V~out~ | | | | | | | | - V~out~: Thể tích dịch lên men chiết ra trong quá trình nuôi cấy | | | | - V~inn~: Thể tích dịch lên men trong nồi lên men | | | | | | | | - Y~p/s~ = P/S~u~ | | | | | | | | - Y: Hiệu suất (yield) chuyển đổi cơ chất | | | | | | | | - S= S~u~ + S~r~ | | | | | | | | - S~r~ = s~r~.V~inn~; s~r~: Nồng độ đường còn lại (g/dl); S~r~: | | Lượng đường còn lại (T) | | | | - S~u~: Lượng đường chuyển hóa (T) | | | | | | | | - Y~p/x~ = P/X | | | | | | | | - Yp/x là hiệu suất tạo sản phẩm trên một đơn vị sinh khối (năng | | suất sản xuất) | | | | | | | | - ρ = μ. Y~P/X~ | | | | | | | | - ρ: tốc độ sản xuất đặc trưng | | | | - μ: tốc độ tăng trưởng đặc trưng | | | | | | | | - P = c~p~×V~inn~(×d) | | | | | | | | - V: thể tích dịch lên men tại thời điểm đánh giá | | | | - P: lượng sản phẩm thu được | | | | - c~p~: nồng độ sản phẩm | | | | | | | | - B = c~b~×V~inn~(×d) | | | | | | | | - B: lượng sinh khối thu được | | | | - c~b~ : nồng độ sinh khối | | | | 2. **Phương pháp liên tục** | | | | - D = F/V | | | | | | | | - F: tốc độ nạp liệu (KL/hr) | | | | - V:thể tích dịch lên men trong nồi (KL) | | | | - D là độ pha loãng (giờ^-1^) | | | | | | | | - P~hr~ = (P~t2~-P~t1~)/(t2-t1) | | | | | | | | - P~t1~, P~t2~ là lượng sản phẩm ở thời điểm t1 và t2 | | | | - P~hr~: Lượng sản phẩm tổng hợp được theo thời gian (giờ^-1^) | | | | | | | | - Y~hr~ = P~hr~/S~uhr~ | | | | | | | | - Y~hr~: Hiệu suất sinh tổng hợp theo thời gian nuôi cấy (giờ^-1^) | | | | - S~uhr~ là lượng cơ chất đã sử dụng trong Δ giờ ở giai đoạn đánh | | giá. | | | | - S~uhr~ = (S~ut2~-S~ut1~)/(t2-t1) | | | | 3. **Phương pháp Fed-batch** | | | | - X~t~ = X~o~ + Y.S~u~ | | | | - S~u~ = S~o~ + S~f~ - S~r~ | | | | | | | | - S~r~: tổng lượng cơ chất còn lại trong môi trường lên men. S~r~ = | | s~r~.V~inn~ | | | | - S~o~: tổng lượng cơ chất ban đầu trong môi trường lên men. S~o~ = | | s~o~.V~o~. | | | | - S~u~: tổng lượng cơ chất đã được vi sinh vật sử dụng | | | | - s~r~: nồng độ cơ chất còn lại trong môi trường lên men | | | | - s~o~ = s~r~ tại thời điểm nuôi cấy | | | | | | | | - D~aver~ = F~aver~ /V~inn~ | | | | | | | | - D~aver~: D trung bình | | | | - F~aver~: F trung bình. F~aver~ = V~f~ / T~f~ | | | | - T~f~ : thời gian nhập liệu | | | | | | | | - D = F/(V~0~ + F.t) | | | | - V~inn~ = V~o~ + V~f~ - V~out~ = V~fer~.f | | | | | | | | - Vo: thể tích dịch lên men tại thời điểm bắt đầu nuôi cấy | | | | - V~f~: thể tích dịch cơ chất nạp bổ sung trong quá trình nuôi cấy | | | | - V~fer~: thể tích nồi lên men | | | | | | | | - f: công suất tới hạn | | | | | | | | - S~f~ = c~f~.V~f~ | | | | | | | | - S~f~: tổng lượng cơ chất nạp bổ sung | | | | - c~f~: nồng độ cơ chất trong dịch nạp bổ sung | | | | | | | | - Tốc độ tăng trưởng đặc trưng = (lnB~t2~ -- lnB~t1~)/(t2 -- t1) | | | | - Hiệu suất sản phẩm của tiến trình Y~p/s~ = (P~t~ - P~o~)/(Su~t~ - | | Su~0~) × 100 | | | | - Hiệu suất sinh khối theo từng giai đoạn Yb/s~Hr~ = (B~t2~ - | | B~t1~)/(Su~t2~ - Su~t1~) × 100 | +-----------------------------------------------------------------------+ **BÀI TẬP** +-----------------------------------------------------------------------+ | **Bài 1:** Trong một thí nghiệm nuôi cấy nấm men để thu sinh khối | | theo **phương pháp mẻ**. Theo yêu cầu, lượng sinh khối thu được phải | | đạt 5 tấn/mẻ trong thời gian nuôi cấy là 30 giờ. Hiệu suất tổng hợp | | sinh khối là 56%, thể tích dịch lên men là 100 KL, tỷ lệ nạp giống là | | 0,1% (t/KL), nồng độ đường glucose còn lại là 0,5 g/dl. | | | | 1. Lượng đường cần thiết đưa vào hệ thống để thu nhận đủ lượng sinh | | khối trên? | | | | 2. Tính μ trung bình của cả quá trình. | | | | 3. Với nồng độ rượu đo được sau quá trình lên men là 3% (v/v), hãy | | cho biết tốc độ sản xuất rượu đặc trưng của nấm men trong thí | | nghiệm trên (d EtOH: 0,789 g/ml). | | | | +--------------------------------+--------------------------------+ | | | ***Tóm tắt*** | ***Bài giải*** | | | | | | | | | Phương pháp mẻ | 1. **Lượng glucose cần = S** | | | | | **= S~u~ + S~r~** | | | | X= 5 tấn/mẻ | | | | | | - Y~x/s~ = X/S~u~ → S~u~ = | | | | CT = 30 giờ | X/Y~x/s~ = 5/56% = 8,93 t | | | | | | | | | Y~x/s~ = 56% | - S~r~ = s~r~.V~inn~ = | | | | | 0,5.10^-2^ (t/KL).100 (KL) | | | | V~inn~ = 100 KL | = 0,5 t | | | | | | | | | s~r~ = 0,5 g/dl → 0,5.10^-2^ | ⇒ S = S~u~ + S~r~ = 0,5 + 8,93 | | | | t/KL | = 9,43 t | | | | | | | | | I~o~ = 0,1% (t/KL) | 2. **Tốc độ tăng trưởng đặc | | | | | trưng = μ = | | | | c~p~ = 3% | ln(X/X~o~)/(t-t~o~)** | | | | | | | | | d~EtOH~: 0,789 g/ml | - X~o~ = I~o~.V~inn~ = | | | | | 0,1%.100 = 0,1 t | | | | | | | | | | ⇒ μ = ln(X/X~o~)/(t-t~o~) = | | | | | ln(5/0,1)/30 = 0,13 h.r^-1^ | | | | | | | | | | 3. **Tốc độ sản xuất ethanol | | | | | đặc trưng = ρ = μ. | | | | | Y~P/X~** | | | | | | | | | | - P = c~p~.V.d = 3%.100 | | | | | (KL).0,789(g/ml) = 2,367 t | | | | | | | | | | - Y~p/x~ = P/X = 2,367/5 = | | | | | 47,34% | | | | | | | | | | ⇒ ρ = μ. Y~P/X~ = 0,13.0,4734 | | | | | = 0,062 h.r^-1^ | | | +--------------------------------+--------------------------------+ | | | | **Bài 2:** Trong nuôi cấy theo phương pháp **fed-batch** thu nhận sản | | phẩm là amino acid của một chủng vi khuẩn, người ta thực hiện trong | | nồi lên men với thể tích môi trường ban đầu là 50 KL, **nồng độ** | | đường glucose ban đầu trong môi trường 2,0 g/dl. Thể tích nồi lên men | | là 100 KL, với công suất tới hạn là 80%, D trung bình là 0,0375 hr-1. | | Lúc ngừng quy trình, nồng độ sản phẩm là 3,6 g/dl, nồng độ sinh khối | | là c