Quá trình và thiết bị lên men
Khái quát về lên men
Lên men là một phương pháp dùng để chuyển hóa nguyên liệu để thu được sản phẩm phục vụ cho đời sống con người. Ban đầu lên men chỉ được dùng trong sản xuất các loại thực phẩm như rượu, giấm, sữa chua, ... Cùng với sự phát triển của khoa học và các ưu điểm vượt trội của mình, lên men còn được dùng để sản xuất nhiều loại sản phẩm và dịch vụ khác như kháng sinh, hóa chất, xử lý nước thải. Kỹ thuật lên men cũng trở nên ngày càng phong phú về nhiều mặt khác nhau: nguyên liệu, sản phẩm, trang thiết bị.
Quy trình lên men
Thông thường, do những đặc tính riêng mà các quy trình lên men không giống nhau. Tuy nhiên nhìn chung thì các quy trình này có thể được biểu diễn như sơ đồ ở Hình 2.
Nhìn chung, quy trình lên men gồm 3 giai đoạn chính :
Chuẩn bị trước lên men (Upstream) : gồm 2 nhóm công đoạn: chuẩn bị nguyên liệu và chuẩn bị vi sinh vật.
- Đối với nguyên liệu thô, ta cần phải làm sạch, nghiền nhỏ, chuyển thành dạng dung dịch. Nếu nguyên liệu đã được tinh chế ở dạng rắn, ta cũng cần chuyển sang dạng dung dịch. Nếu có yêu cầu khắt khe, ta còn cần phải tiệt trùng nguyên liệu.
- Đối với vi sinh vật, ta cần phải chuẩn bị một lượng phù hợp với thể tích làm việc của thiết bị lên men. Điều này gồm nhân giống qua một số bước. Các bước đầu tiên được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Bước cuối cùng có thể phải thực hiện tại các thiết bị lên men cỡ nhỏ (pilot).
Lên men : thực hiện trên một thiết bị lên men chuyên dụng. Chi tiết của thiết bị này sẽ được đề cập đến tại chương "Thiết bị lên men".
Xử lý sau lên men (Downstream) : Sau khi kết thúc quá trình lên men, ta thu nhận được dịch lên men. Dịch này sẽ được tiếp tục xử lý qua một số công đoạn như:
+ Lọc : để loại các tạp chất không tan,
+ Chuyển về dạng phù hợp (thí dụ chuyển từ dạng axit sang dạng muối),
+ Tinh chế : loại các tạp chất tan trong dịch lên men,
+ Kết tinh : chuyển sản phẩm từ dạng tan sang dạng không tan,
+ Ly tâm : tách riêng sản phẩm (ở dạng rắn) khỏi dịch lên men,
+ Sấy : tách bớt nước có trong sản phẩm,
+ Trích ly, chưng cất, ...
Thiết bị lên men
Do quá trình lên men có những yêu cầu khá cao so với nhiều quá trình chế biến khác nên thiết bị lên men công nghiệp cũng tương đối phức tạp. Đó là một tổ hợp nhiều bộ phận, nhiều cụm máy hoạt động phối hợp nhịp nhàng để duy trì môi trường lên men luôn ở trạng thái tốt nhất
Các nhóm thiết bị trong quy trình lên men
Như ta đã biết, một quy trình lên men gồm ba giai đoạn chính là chuẩn bị trước khi lên men, lên men, và xử lý sau lên men để thu được sản phẩm cuối cùng. Tương ứng với mỗi giai đoạn, ta có những nhóm trang thiết bị tương đối chuyên biệt
Nhóm này bao gồm những trang thiết bị sau :
- Các trang thiết bị chuẩn bị nguyên liệu : dùng để chuyển đổi các nguyên liệu thô mua ngoài thị trường thành cơ chất và dưỡng chất, có các tính chất thích hợp cho quá trình lên men như kích thước, độ tinh khiết, độ nhớt, nồng độ. Nhóm này gồm các trang thiết bị dùng để làm sạch (loại tạp chất, rửa), làm nhỏ (cắt, nghiền), phân loại (sàng), khuấy trộn, xử lý nhiệt (thanh trùng, tiệt trùng).
- Các trang thiết bị chuẩn bị vi sinh vật : dùng để nuôi cấy, nhân giống vi sinh vật cho đến khi đạt số lượng cần thiết cho quá trình lên men. Việc nhân giống thường gồm một số bước, các bước đầu thường dùng các trang thiết bị phòng thí nghiệm như các dụng cụ thủy tinh cỡ nhỏ hay cỡ vừa, máy khuấy từ, máy lắc. Các bước sau có thể phải thực hiện ở các thiết bị lên men cỡ nhỏ hay cỡ pilot.
- Các trang thiết bị chuẩn bị cho thiết bị lên men như làm sạch, tiệt trùng. Hiện nay, người ta có xu hường tích hợp các trang thiết bị này thành các bộ phận của thiết bị lên men, thí dụ CIP (Clean In Place) hay SIP (Sterilization In Place).
Thiết bị lên men
Dùng để chuyển cơ chất & dưỡng chất thành thành phẩm hay bán thành phẩm.
Nhóm này bao gồm những trang thiết bị sau :
- Các trang thiết bị dùng để loại bỏ các tạp chất dạng thô như lắng, lọc, ly tâm.
- Các trang thiết bị dùng để tính luyện sản phẩm như cô đặc, kết tinh, sấy, chưng cất.
- Phần lớn các trang thiết bị của nhóm này tương tự như các trang thiết bị có cùng chức năng của các ngành công nghiệp khác như thực phẩm hay hóa chất.
Cấu tạo chung của thiết bị lên men
Tùy theo tính chất của quá trình lên men mà các thiết bị lên men sẽ khác biệt nhau, hoặc ít, hoặc nhiều. Phần trình bày dưới đây trình bày cấu tạo chung của các thiết bị lên men được sử dụng phổ biến. Sơ đồ một thiết bị lên men như vậy được thể hiện trên Hình 1.
Một số thành phần của thiết bị lên men
- Phần chính của thiết bị là một thùng lên men A được làm bằng thép không rỉ. Thùng kín và thường hoạt động ở áp suất lớn hơn áp suất khí trời một ít để ngăn không cho khí trời xâm nhập vào thùng, tránh bị lây nhiễm. Bên ngoài thùng có một lớp áo nước B để gia nhiệt, làm nguội và/hay điều hòa nhiệt độ cho thùng. Để đảm bảo cho thành phần của thùng được đồng đều, trong thùng có cánh khuấy C được kéo bằng động cơ D. Trên trục cánh khuấy thường lắp thêm bộ phận phá bọt E. Ở phía dưới thùng có cơ cấu xục khí F với nhiều lỗ nhỏ. Trong một số trường hợp cơ cấu này đóng thêm vai trò khuấy trộn thay cho cánh khuấy.
Các dòng vật chất
- Thùng lên men có lắp một số đường dẫn để đưa vật chất vào thùng hay ra khỏi thùng. Ta có thể kể các dòng chính sau (các số hiệu tương ứng với số trên Hình 1)
1 : đưa canh trường vào thùng,
2 : đưa dưỡng chất & cơ chất vào thùng,
3 : đưa dịch lên men ra khỏi thùng,
4 : đưa khí vào thùng,
5 : đưa khí ra khỏi thùng,
6 : đưa dung dịch axit hay kiềm vào thùng để điều chỉnh pH cho môi trường lên men,
7 : đưa nước hay hơi nước vào và ra thùng để gia nhiệt, làm lạnh hay điều hòa nhiệt độ cho môi trường lên men,
8 : đưa hơi nước vào thùng để thanh trùng hay tiệt trùng rồi sau đó dẫn nước ngưng ra khỏi thùng. Thông thường các đường ống này được nối với hệ thống CIP (Clean In Place) hay SIP (Sterilization In Place).
9 : dùng để lấy mẫu để theo dõi hay kiểm tra. Mẫu này có thể được đưa trở lại thùng lên men hay không.
Đo lường trong thiết bị lên men
Để cho quá trình lên men luôn hoạt động ở điều kiện tốt nhất, việc đo lường và điều khiển các thông số giữ một vai trò rất quan trọng. Hình 1 trình bày một số cảm biến và dụng cụ đo. Chức năng của chúng được tóm tắt như sau :
KT : xác định thành phần khí thoát khỏi thùng,
N : đo vận tốc quay của cánh khuấy,
V : đo mức của dịch lên men, qua đó ta có thể xác định được thể tích của dịch lên men,
X : đo hàm lượng sinh khối khô,
T : đo nhiệt độ môi trường lên men,
pH : đo pH của dịch lên men,
Oxy : đo hàm lượng oxy hòa tan trong dịch lên men,
LL : đo lưu lượng dòng khí vào thùng.
Thông thường các cảm biến hay dụng cụ này sẽ, một mặt nối với cơ cấu hiển thị, nhưng mặt khác lại nối với các cơ cấu điều khiển tương ứng để giữ cho thông số có liên quan ở giá trị tốt nhất.
