Công nghệ xản xuất sinh khối vi sinh vật

Công nghệ xản xuất sinh khối vi sinh vật I: Giới thiệu chung về nấm men I.1 Định nghĩa: Sinh khối: - Sinh khối là tổng trọng lượng của sinh vật trong sinh quyển hoặc sô lượng sinh vật sống trong 1 đơn vị diện tích, thể tích vùng. Nấm men: - Chỉ tên chung để chỉ nhóm vi nấm gồm các cấu tạo đơn bào thường sinh sôi và nảy nở bằng phương pháp nẩy chồi. Vi sinh vật được sử dụng trong ngành công nghệ sản xuất nấm men bánh mì: như nấm men saccharomysec: Trong công nghệ sản xuất bánh mì thì giai đoạn lên men bột mì đóng vai trò quan trọng và quyết định tới chất lượng bánh mì. - Nấm men chuyển hóa đường trong tinh bột tạo thành rượu và CO2. - CO2 là tác nhân làm nở bánh mì. - Khả năng lên men càng mạnh thì độ xốp càng lớn. Các dạng nấm men: - Dạng lỏng: có ưu điểm là dễ sử dụng và làm bánh mì nở, tuy nhiên nó khó bảo quản và thời gian sử dụng ngắn. - Nấm men dạng Paster (dạng nhão): có ưu điểm là thời gian sử dụng dài và dễ vận chuyển, có hoạt lực kém hơn so với dạnh lỏng. - Nấm men dạng khô: dễ sử dụng, dễ vận chuyển và có hoạt lực nở bánh cao. Môi trường sản xuất men bánh mì: Nước: là nguyên liệu chính vì đây là công nghệ lên men chìm (thường sử dụng nước máy, nước sinh hoạt). Yêu cầu: - có độ cứng từ 4-80 (một độ cứng tương đương với 10mg CaO/l). - không màu ,không mùi không vị. - Có Cl- < 0,5, SO42- < 80, As < 0,05, Zn < 5, Cu < 3, FeO < 3, và vi khuẩn E coli < 20 tế bào. Nguồn hidrocacbon: hidratcacbon sử dụng trong sản suất men bánh mì là đường trong mật rỉ. I.2 Lịch sử hình thành: Con người hiểu biết về nấm men và những tính chất của nó mới được hơn 150 năm. Đến đầu thế kỉ 19, nấm men bia, nấm men thải từ nhà máy rượu bia đã được con người sử dụng để làm bánh mì. Cuối thế kỉ 19, nhiều cải tiến kỹ thuật như hệ thống thông khí (nước Anh ), kỹ thuật li tâm để tách nấm men ra khỏi môi trường tăng trưởng (Mỹ) đã được dùng để sản xuất men bánh mì. I.3. Các men thường dùng trong sản xuất: * Giống nấm Candida: - Candida tropicalis: lên men rất tốt ở các dịch đường glucoza, galactoza, sacaroza, maltoza. không hấp thu được sorbioza, xenlobioza, lactoza… * Giống nấm Saccharomyces: - Saccharomyces cerevisiae: nấm men được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm như làm bánh mì, sản xuất cồn - Saccharomyces là một chi nấm men được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm như làm banh mì, sản xuất cồn. Saccharomyces có nghĩa là nấm đường và là loại vi sinh vật duy nhất đuợc sản xuất với quy mô rất lớn trên thế giới. - Nguyên liệu chính dùng để sản xuất men là mật rỉ, ngoài ra một số hóa chất khác sẻ được cung cấp trong quá trình nuôi cấy men để bổ sung các chất dinh dưởng mà mật rỉ không đủ. Qúa trình nuôi dưởng men Saccharomyces là quá trình hiếu khí vì vạy người ta phải thổi vàn bồn lên men một lượng khí rất lớn. Quy trình sản xuất nấm men có thể tóm tắt như sau: Nuôi cấy trong phòng thí nghiệm --> Nuôi cấy men giống trong nhà máy --> Ly tâm men giống --> Nuôi cấy men thương mại --> Ly tâm men thương mại --> Lọc men --> Đóng gói sản phẩm men tươi hoặc sấy khô để có sản phẩm men khô. Sản phẩm men tươi có thời hạn sử dụng ngắn chỉ vài tuần và phải trữ lạnh, sản phẩm men khô có thời hạn sử dụng dài hơn, thường trên 1 năm nếu được hút chân không và được trữ trong điều kiện thường. Quá trình sản xuất men sẽ tiêu tốn rất nhiều nước và thải ra môi trường một lượng lớn nước thải. Thành phần hóa học của tế bào men: - 70-75% nước:nước ngoài tế bào , nước trong tế bào - 25-30% còn lại là chất khô:prôtêin, chất có nitơ khác chiếm 50%, chất béo 1,6%, hydrat cacbon 33,2% mô tế bào 7,6%, tro 7,6%. Chuyển đổi vật chất trong tế bào men: Gồm 2 giai đoạn: - Chất dinh dưỡng qua màng tế bào chất vào tế bào. - Chuỗi các phản ứng hóa học, biến đổi chất dinh dưỡng để tổng hợp chất. I.4. Phân loại men: 1. Men lạt: Men dùng cho sản xuất bánh mỳ lạt (Hàm lượng đường thấp). Những chủng men này chỉ sống và phát triển tốt trong môi trường có nồng độ đường thấp (nhỏ hơn 20%). 2. Men ngọt: Men dùng cho sản xuất bánh mỳ ngọt (Hàm lượng đường cao). Những chủng men này chỉ sống và phát triển tốt trong môi trường có nồng độ đường cao (cao hơn 20%). Sinh lý học:Men Saccharomyces cerevisiae là các viên hình cầu lớn, còn các que nhỏ là vi khuẩn Escherichia coli. Môi trường phát triển: Nhiều loài men có thể được cô lập từ các môi trường giàu đường. Một số ví dụ điển hình là các loại quả và quả mọng (chẳng hạn nho, táo hay đào). Môi trường phổ biến được sử dụng để nuôi cấy men là PDA (potato dextrose agar- Thạch khoai tây dextroza) hay PDB (potato dextrose broth- Nước luộc khoai tây detroza). Nước chát của khoai tây được tạo ra bằng cách hấp (luộc áp suất) khoai tây cắt nhỏ với nước trong 5 - 10 phút và sau đó chắt nước luộc. Sau đó dextroza (glucoza) được thêm vào (10 g/L) và môi trường được khử trùng bằng cách hấp lạ. Saccharomyce II. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nấm men bánh mì Nấm men giống Nguyên liệu Men ýớt Men patse Men ướt Nuôi cấy men giống xử lí nguyên liệu Nuôi cấy men thương phẩm Men patse Ly tâm, tách rửa men Ép Định hình Sấy Đống gói men ép Bao gói Men khô Bảo quản nhiệt độ thường III. Giải thích quy trình: Nguyên liệu - Chủ yếu là rỉ đường mía và củ cải - Ngủ cốc -Các nguồn xenluloza thực vật. Nuôi men thương phẩm: Nuôi cấy men giống - Tăng số lượng nấm men, huấn luyện giống nấm, sử dụng sản phẩm men ướt - Chuẩn bị số lượng sinh khối đủ lớn cho quy trình sản xuất nấm men quy mô công nghiệp. Sấy - Ổn định các tế bào nấm men. Bảo quan được lâu hơn. Bảo quản - Sử dụng cách bảo quản thích hợp và nhiệt độ thích hợp cho từng loại men giúp bảo quản được lâu. Ly tâm tách rửa men - Thu sinh khối dạng paste Ép và định hình. - Lấy đi phần lớn lượng nước trong dịch nấm men. - Làm quá trình sấy được tiến hành dễ dàng hơn. Tạo hình, đóng gói - Tạo hình, đóng gói men ép:ở các nước khác được thực hiên bằng máy, ở nước ta được nhào trộn cho đều bằng tay ,cho vào bao vải dày và đạp bằng chân cho đến khi đồng nhất về màu sắc và độ chắc, rồi ép chặt men theo khối vuông vức của khuôn cho vào túi nilon ,bảo quản từ 2-40C. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường bên ngoài tốc độ tổng hợp sinh khối nấm men. - Nhiệt độ 28-30ºC - Độ pH của môi trường 4,5 – 5,5. Ảnh hưởng của chất hóa học: rỉ đường, amonium sunphat, DAP, MgSO4, axit sunfuric - Ảnh hưởng nồng độ rỉ đường: sự hấp thụ chất dinh dưỡng - Ảnh hưởng của cường độ không khí và khuấy trộn lên tốc độ tăng trưởng của nấm men Nồng độ nguyên liệu -Nguồn hydrat cacbon: tính trên rỉ đường hoặc rỉ đường có bổ sung nước mạch nha: 12-15% chất khô. - Ammônium sunfat: từ 0,1-0,3%. - Urê: 0,1-0,15%. - DAP: 0,1% hay acid photphoric 0,06%. - Magiê sunfat 0,05%. IV. Nguyên liệu dùng trong sản xuất nấm men bánh mì * Nước Nước là nguyên liệu chính trong sản xuất vì đây là công nghệ lên men chìm hiếu khí. Nước sử dụng là nước sinh hoạt. Nếu dùng nước giếng hay nước bề mặt khác thì phải xử lí chúng để đạt chất lượng nước máy dùng cho sinh hoạt. * Nguồn hyđratcacbon Thường sử dụng là rỉ đường,phế phẩm công nghiệp đường hoặc dịch bả rượu. * Nguồn photpho và nitơ: Thường sử dụng ure như nguồn chứa nitơ và diamonphôphat (DAP) như nguồn chứa nitơ và photpho. Lượng DAP sử dụng 0,15-0,3%. trứoc khi sử dụng DAP và ure người ta thường hoà tan chúng trong nước trước * Nguồn kali và magie: Thường sử dụng K2CO3, KCl, MgSO4..7H20, MgCl2. *Giống men bánh mì: Thường sử dụng chủng vi sinh vật:saccharomyces cerevisiae. Đặc tính hình thái: - Nấm men chìm: Hầu hết các tế bào khi quan sát thì nảy chồi đứng riêng lẻ hoặc cặp đôi. Hình dạng chủ yếu là hình cầu. - Nấm men nổi: Tế bào nấm men mẹ và con sau nảy chồi thường dính lại với nhau tạo thành như chuỗi các tế bào nấm men còn hình dạng chủ yếu hình cầu hoặc ovan với kích thước 7 – 10 m. Micromet. Đặc điểm nấm men dùng trong sản xuất - Tế bào lớn, có dạng hình cầu hay hình trứng, đường kính ít nhất 7×11 mm. - Hoạt tính maltase. - Hoạt lực làm dậy bột. - 100% bền vững với rỉ đường. - Khả năng tích lũy sinh khối nấm men là 0,2/giờ Khả năng phân chia tế bào nấm men Cấu tạo tế bào men bánh mì Men bánh mì chụp dưới kính hiển vi điện tử * Đặc tính sinh lýSự khác nhau giữa nấm men nổi và nấm men chìm là khả năng lên men các loại đường trisacarit, ví dụ raffinoza. Trong nấm men chìm có enzym có thể sử dụng hoàn toàn đường raffinoza trong khi đó nấm men nổi chỉ sử dụng được 1/3 đường sacaroza. Nấm men chìm có nồng độ enzym thấp hơn nấm men nổi. Khả năng tạo bào tử của nấm men chìm lâu hơn và hạn chế hơn nấm men nổi. Yêu cầu giống nấm men phải đảm bảo những tính chất sau: - Sinh sản nhanh - Chịu được trong môi trường rĩ đường - Có lực làm nở bột cao - Ít bị thay đổi trong bảo quản - Có khả năng lên men được đường Saccarose,glucose,Maltose V. Quá trình nhân giống và nuôi cấy: Nhân giống nấm men là quá trình làm tăng dịch nấm men giống sau mổi chu kỳ nuôi. Sau mỗi chu kì số lượng nấm men gấp từ 5-10 lần * Điều kiện nuôi: - Môi trường nước đường có chứa 2-4%, bổ sung thêm một số muối dinh dưỡng. - Môi trường phải được thanh trùng và làm nguội trước khi cho giống nấm men vào hay chuyển từ chu kỳ trước sang chu kỳ sau. - Nhiệt độ lên men là 26-30oC. - PH dịch nuôi 4-4,5. - Thời gina nuôi 10-24h. - Nuôi trên máy lắc hay thổi khí vô trùng tuỳ theo dung dịch trong thiết bị. * Nuôi thương phẩm: Nuôi cấy nấm mên thương phẩm theo chu khì : - Thành phần môi trường giống với nuôi cấy trong quá trình nhân giống .tuy nhiên môi trường nuôi cấy cần ổn định để chất lượng nấm mên tốt nhất và đồng đều - Lượng đường trong môi trường khoảng 2-3% . - PH môi trường khoảng 4,3-5,4 . - Thiết bị nuôi cấy cần được khử trùng và luôn phải vô trùng tuyệt đối. Phương pháp này có nhược điểm là tốt nhiều thời gian cho giai đoạn vệ sinh thiết bị và điều khiện sản xuất.Sinh khối nấm men thu đuợc không đồng đều, tế bào nấm men bị tác động mạnh bởi chất dinh dưỡng với hàm lượng lớn ngay từ thời gian nuôi cấy. Các giai đoạn nhân giống Thể tích dịch nuôi cấy Điều kiện nuôi cấy Hiệu suất thu hồi(%) Nồng độ(%) Thời gian(h) Lưu lượng khí(m3/m3.h) Phòng thí nghiệm 3-5cấp 10ml - 10 lít 12 - 16 16 - 24 Lắc sục khí 1-2 8 - 10 Giống thuần khiết 2-4 cấp 50 - 1500 lít 10 -24 10- 18 5 – 10 15 - 20 Giống sản xuất 2-3 cấp 5 - 15m3 5 - 8 10 -15 20 - 50 20 - 50 Điều kiện nhân giống nấm men * Nuôi nấm men thương phẩm dù là nuôi men nổi hay men chìm thì dều mắc những nhược điểm sau: - Tốn nhiều thời gian cho giai đoạn vệ sinh thiết bị và điều kiện sản xuất. - Sinh khối nấm men thu nhận được bao gồm cả tế bào mới sinh trưởng,tế bào trưởng thành và tế bào gìa. - Bị tác động mạnh bởi chất dinh dưỡng và hàm lượng khá cao ngay từ thời gian nuôi cấy. - Để khắc phục 3 nhược điểm này người ta thực hiện nuôi cấy liên tục.Ưu điểm của phương pháp này là năng xuất tăng và tế bào nấm men luôn luôn được đổi mới chât dinh dưỡng. * Nhân giống nấm men: - nhân giống: để tiến hành lên mên cần phải có một lượng giống đủ cung cấp cho các nồi lên men (10% thể tích dịch lên men) số lượng tế bào trong dịch nhân giống phải đạt 100-120.106/ml . giống lên men cần phai khỏe , thời khì phát triển dài, không tạp nhiễm, tếbào chết không quá 5% muốn đạt được yêu cầu đó cần phải nhân giống trong phòng thí nghiệm - nhân giống trong phòng thí nghiệm: tù môi trường thạch nghieng chuyển sang môi trường lỏng 100ml rồi cấy truyền sang bình nón 500ml ,tiếp đó cấy truyền sang các bình 5l ,10l ,100l. Nuôi men từ thùng 100l cần phải thổi khí vào khoảng 1-2h khuấy trộn môi trường 1-2 làn ,trong quá trình nuôi cấy cần duy trì ở nhiệt độ thích hợp ở từng nồi lên men khoảng 30-320c VI. Thu nhận sinh khối nấm men: Thu nhận sinh khối nấm men dạng paste: - Ngay khi kết thúc quá trình lên men,người ta thu nhận sinh khối nấm men ngay.Đầu tiên là quá trinh tách và rửa nấm men có thể thực hiên trong các phương pháp sau đây: - Người ta rửa nấm men trong một thiết bị có hệ thống cấp nước lạnh liên tục và tách nấm men liên tục trong máy ly tâm. - Rửa nấm men trong hệ thống gồm hai thiết bị bằng phương pháp hoà tan gián đọan bao gồm 3 giai đoạn: +Tách nấm men khỏi dịch. +Tách nấm men từ nước rửa 1 và 2. +Ly tâm lần lần các phần trên. - Tách nấm men bằng cách ly tâm 3 lần.Sau mổi lần ly tâm mật độ nấm men sẽ cao hơn trong sinh khối thu được. Nấm men sau khi ly tâm gọi là nấm men dạng nhão. - Còn chứa nhiều nước ở dạng tự do. Thu nhận nấm men dạng khô: Từ nấm men dạng Paste,người ta đem sấy để thu nhận nấm men dạng khô.Nấm men dạng khô thường có độ ẩm nhỏ hơn 10%.Quá trình sấy trải qua 3 giai đoạn. + Tách nước tự do trong nấm men Paste còn khoảng 50-52%.Nhiệt độ sấy nhỏ hơn 40oC. + Tách nước tự do và một phần nước liên kết.Giai đoạn này thường rất dài.Cuối giai đoạn này hàm lượng ẩm còn lại 16-20%. + Tách nước liên kết trong tế bào đến độ ẩm cuối cùng nhỏ hơn 10%.Thời gian sấy củng rất dài. Hiện nay,người ta còn dùng máy sấy thăng hoa để sản xuất nấm men thô.