lecture 6 aft
Post on 03-Jul-2015
4.648 Views
Preview:
TRANSCRIPT
11/12/10 Advance Fermentation Technology 1
รายวชา 1101704: เทคโนโลยการหมกขนสง
(Advance Fermentation Technology)
อาจารยผรบผดชอบรายวชา อาจารยสาขาวชาจลชววทยา ภาควชาวทยาศาสตรชวภาพ
คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยอบลราชธาน
11/12/10 Advance Fermentation Technology 2
Sterilization วตถประสงค- สามารถบอกถงสมการการใชอธบายกระบวนการ
กำาจดเชอได- สามารถบอกวธการกำาจดเชอในอาหารเลยงเชอ
ระดบอตสาหกรรม- สามารถบอกระบบการกำาจดเชอทใชในระดบ
อตสาหกรรม- สามารถบอกระบบการกำาจดเชอในอากาศทใช
ในระดบอตสาหกรรม
11/12/10 Advance Fermentation Technology 3
6.1 ความหมายของ sterilization และวธการ sterilizationความหมายของ sterile คอ devoid of life ดงนน sterilization หมายถงวธการหรอกระบวนการททำาใหปราศจากสงมชวต ซงสามารถทำาไดหลายวธโดยการใชวธการตางๆไดแก
- วธการทางกายภาพ (Physical method):ความรอน สารเคม รงส และการกรอง- วธการทางเคม (Chemical method): การใช antiseptics และ disinfectants - การใช Antibiotics
6.2 ความจำาเปนของกระบวนการ sterilizationจากททราบมาแลววาเราตองการใหอาหารเลยงเชอนนปราศจากเชอจลนทรยใดๆ กอนทเราทำาการเพาะเลยงจลนทรยทเราตองการ
11/12/10 Advance Fermentation Technology 4
คำาถาม: ทำาไมตองใหอาหารเลยงเชอนนปราศจากเชอจลนทรยใดๆ กอนทเราทำาการเพาะเลยงจลนทรยทเราตองการ????คำาตอบ: เพราะไมตองการใหมจลนทรยชนดอนเจรญในอาหารเพาะเลยงจลนทรยของเรา
คำาถาม: ถามจลนทรยชนดอนเจรญในอาหารเพาะเลยงจลนทรยของเราแลวมผลเสยอะไรเกดขน?????
คำาตอบ:1. เกดการแยงอาหาร ทำาใหเกดผลกระทบกบจลนทรยทเราเพาะเลยงโดยทำาใหอตราการเจรญของจลนทรยทตองการลดลง ซงจะสงผลกระทบใหผลผลตทตองการลดลง และการเกดผลตภณฑทไมตองการ
11/12/10 Advance Fermentation Technology 5
2. เกดการปนเปอนของจลนทรยทไมตองการและสารทจลนทรยสรางขนปนเปอนในผลผลตขนสดทาย3. ผลตภณฑทไมตองการนนอาจไมสามารถแยกออกจากผลผลตทตองการไดหรอ ตองเสยคาใชจายเพมในการแยกสวนทไมตองการออก4. ผลตภณฑทไมตองการนนอาจเปนสารพษทเปนอนตราย5. จลนทรยทปนเปอนมอาจอตราการเจรญทสงกวาจลนทรยทเราเพาะเลยง และสามารถเจรญแทนทจลนทรยของเราได6. จลนทรยทปนเปอนบางชนดเชน bacteriophage สามารถทำาลายจลนทรยทเราเพาะเลยงได
11/12/10 Advance Fermentation Technology 6
คำาถาม: เราสามารถปองกนการปนเปอนไดอยางไร???คำาตอบ: - ใช pure culture เปน inoculum - ทำาการ sterile เครองมอ เครองใช อปกรณ อาหารเลยงเชอ สารเคม ทใชในกระบวนการหมก (รวมทงตว fermentor ดวย)- พยายามรกษาสภาวะปลอดเชอ (aseptic condition) ใหไดตลอดการหมก
**aseptic means uncontaminated**
6.3 การกำาจดเชอในอาหารเลยงเชอดงทกลาวมาแลวในขางตนวาการหมกสามารถแบงตามวธการควบคมการปนเปอนสามารถแบงออกเปน 3 ชนดคอ
11/12/10 Advance Fermentation Technology 7
- Septic fermentation- Semi-septic fermentation- Aseptic fermentation
ซงใน septic fermentation นนไมจำาเปนตองมการ sterile วตถดบ หรออาหารเลยงเชอทใชเชน การผลตอาหารหมก การผลตสรากลน การผลตแอลกอฮอลจากนำาทง และการผลตเซลลยสตจากนำาทง เปนตน การหมกแบบ septic นใชการปรบสภาวะและการใชเชอเรมตนในปรมาณมากๆ
การหมกแบบทสองหรอ semi-septic fermentation นนเปนกระบวนการหมกทเรยกวา กงปลอดเชอเนองจากมบางขนตอนททำาโดยไมใชเทคนคปลอดเชอ ตวอยางเชนกระบวนการหมกเบยรทใช yeast cake ทลอยอยบนผวหนาจากการหมกครงกอนเปนเชอเรมตนในการหมกครงตอไป (บทท 5)
11/12/10 Advance Fermentation Technology 8
สำาหรบวธสดทายคอ aseptic fermentation นนเปนกระบวนการหมกทใชกระบวนการกำาจดเชอ ใชเชอ pure culture เปนเชอตงตน และรกษาสภาพปลอดเชอตลอดการหมกตงแตตนจนจบกระบวนการ
วธการทำาใหปลอดเชอในระดบอตสาหกรรมนยมวธทางกายภาพคอการใชความรอน ซงใชทงความรอนแหง (โดยใชหลกการถายเทความรอน)และความรอนชน (ไอนำารอน) การกรอง การใชรงส และการใชสารเคม
การกำาจดเชอในระดบอตสาหกรรมในอาหารเลยงเชอนนนยมใชการใหความรอนเปนหลกเพราะเปนวธทงาย สะดวก และมประสทธภาพสง
11/12/10 Advance Fermentation Technology 9
6.4 Theory of heat sterilizationThe death of microorganisms (mos) occurs under thermal sterilization condition according to first-order kinetics as shown in equation 1
dN/dt = - kN........................................(1)where N = the number of variable mos; k = reaction of death rate (min-1); and t = time. Eq. 1 may be integrated to obtain:
N = N0e-
kt..............................................(2)where N0 = the number of variable mos at time t = 0. It should be note that N may be considered as the total number of mos
11/12/10 Advance Fermentation Technology 10
present, or it may be a concentration of mos per unit volume. Transform form base e (Eq. 2) to the base 10 log
N = N010-
t/D...........................................(3)where D is called the D value and usually has unit of minutes So when D = t the Eq. 3 turn to N = N010-1 or N = 0.1N0...............................................(4)
Therefore, the D value is defined as the time required at temperature to reduce the mos population by 90% or one order of magnitude. (see Table 2 and 3)
11/12/10 Advance Fermentation Technology 12
From Eq. 2 N = N0e-kt
N / N0 = e-
kt.......................................(5)take ln to Eq. 5
ln (N / N0) = - kt .............................................. (6)or
ln (N0 / N) = kt ..................................................(7)
From Eq. (6) ln N /N0 = - kt we can plot graft log N /N0 against t as shown in next slide
11/12/10 Advance Fermentation Technology 13
N N0
N N0
ln
time (min ) at 121 oC
กราฟแสดงการเปลยนแปลงของอตราสวนของจำานวนเซลลทรอดชวตตอจำานวนเซลลเรมตนทระยะเวลาตางๆ
1
2
3
4
56
7
89
time (min ) at 121 oC
D
11/12/10 Advance Fermentation Technology 14
It was found form the plot that the number of mos declines exponentially over the treatment period. คาความชนของกราฟ (slope) มคาเทากบ -k ซงคานจะแตกตางกนออกไปตามแตชนดของจลนทรยและอณหภมทใช (ดงแสดงใน slide หนาถดไป)
Form Eq (7) ln (N0 / N)= kt we replacing ln with 10 base log
log (N0 / N) = (k / 2.303) t...................................(8)From Eq. (3) and (4) D = t (D value) and (8) we can get
log (N0 / N) = (k / 2.303) D = log 10 ..............................(9)
(เพราะวา N0 ลดลง 90% หรอ 1 log cycle นนเอง)
11/12/10 Advance Fermentation Technology 16
Finally we can get D = 2.303 /
k....................................................(10)
or we can solve from Eq. (3) N = N010-t/
D N /N0 = 10-t/D
and then take a 10 base log and we will get
log (N /N0) = - t / D..............................................(11)so
log (N0 /N) = t / D ..............................................(12)
11/12/10 Advance Fermentation Technology 17
From Eq. (8) and (12)log (N0 / N) = (k / 2.303) t ................................................(8) log (N0 /N) = t / D................................................................(12)we can get (k / 2.303) t = t/DFinally we can get D = 2.303 / k เหมอนกบ Eq. (10)
จากกราฟใน slide ท 12 นน เปนกราฟแสดงการกำาจดจลนทรยเพยงชนดเดยว (pure culture of mos) ดงทกลาวมาแลววาคา k นนขนกบชนดของ mos และ อณหภมทใชดวยนน ยงมปจจยอกตวหนงทมผลตอคา k คอ physiological form ของจลนทรยตวอยางเชน endospores ของ mos ซงเมออยในระยะของการเจรญจรงแลวจะมการปนกนของเซลล 2 แบบคอ vegetative cell และ endospore
11/12/10 Advance Fermentation Technology 18
endospore สามารถทนความรอนไดสงกวา vegetative cell จงมผลกระทบรปแบบของกราฟดงแสดงในภาพหนาถดไป (Fig 5.2a-c) การเปลยนแปลงรปรางของกราฟรป 5.2a เกดจากความรอนในระยะแรกของกระบวนการ sterilization กระตนใหเกดการเจรญของ spore ทสามารถพบการเพมขนของ ln (N/No) กอนทจะลดลงตามปรกต
สำาหรบกราฟรป 5.2b นนเกดขนเนองจากอตราการงอกของ spore (โดยการกระตนดวยความรอน) เทากบอตราการถกทำาลายโดยความรอน ดงนนจงเปนเสนตรงในชวงแรกของกราฟ และกราฟรป 5.2c ของ spore (โดยการกระตนดวยความรอน) นอยกวาอตราการถกทำาลายโดยความรอนจงมเสนกราฟทคอยๆลดลง
11/12/10 Advance Fermentation Technology 19
อตราการงอกของ spore ทไดรบการกระตนโดยความรอนเทากบอตราการถกทำาลาย
อตราการงอกของ spore ทไดรบการกระตนโดยความรอนนอยกวาอตราการถกทำาลาย
อตราการงอกของ spore ทไดรบการกระตนโดยความรอนมากกวาอตราการถกทำาลาย
11/12/10 Advance Fermentation Technology 20
สำาหรบ Fig 5.3a เปนผลของการฆาเชอดวยความรอนของจลนทรย 2 ชนด (mixed cultures) ททนตอความรอนแตกตางกน คอจลนทรยททนตอความรอนสง ผสมกบจลนทรยทไมทนตอความรอน
จากกราฟรปท 5.3a เปนกราฟทมจลนทรยทไมทนตอความรอนมจำานวนมากกวาจลนทรยททนตอความรอนสง ดงนนจงพบวามการลดลงของจำานวนจลนทรยอยางรวดเรวในชวงแรก (ดจากเสนกราฟทตกลงอยางรวดเรว ณ ตำาแหนงท 1) เนองมาจากจลนทรยทไมทนตอความรอนถกทำาลาย แตหลงจากนน ความชนของกราฟเรมเปลยนไป (ความชนลดลง) เนองจากเปนชวงทจลนทรยททนตอความรอนสงถกทำาลาย ดงนนจงใชเวลาในการทำาลายจลนทรยมากขน ซงจะพบวากราฟทไดนนจะไมเปนเสนตรง
11/12/10 Advance Fermentation Technology 22
ในทางกลบกนถามจลนทรยทไมทนตอความรอนมนอยกวาจลนทรยททนตอความรอนสงกราฟทไดแสดงดงรป 5.3b
จากรป 5.3b พบวากราฟทไดเปนเสนตรงซงสามารถอธบายไดวากราฟเสนนนเปนกราฟทไดจากเกดจากการทำาลายจลนทรยททนตอความรอนสงเปนหลก โดยทจลนทรยทไมทนตอความรอนไมมอทธพลใดๆทำาใหเกดการเปลยนแปลงของเสนกราฟ
ถาทำาการกำาจดจลนทรยดวยความรอนภายใตสภาวะคงทเราจะพบวาคา reaction rate of constant จะแปรผนโดยตรงกบอณหภมซงสามารถอธบายดวย Arrhenius equation ไดดงน
11/12/10 Advance Fermentation Technology 24
k = Ae-
E/RT...........................................................(13) โดยท A = Arrhenius constant E = activation energy for heat destruction, cal/moleR = the gas constant = 1.987 cal/(mole)(ok)T = absolute temperature (ok)take a natural log on Eq. (13)
ln k = ln A – E/RT...........................................................(14)ถา plot คาของ ln k กบ 1/T จะไดกราฟเสนตรงโดยม slopeเทากบ – E/R ดงแสดงในรป slide ถดไป
11/12/10 Advance Fermentation Technology 26
จาก Eq. (7) ln (N0 / N) = kt และจาก Eq. (13) k = Ae-E/RT
ดงนนจะไดวา ln (N0 / N) = kt = Ate-
E/RT.......................(15)
คา ln (N0 / N) นมชอเรยกไดหลายแบบคอ Del factor, Nabla factor หรอ sterilization criteria ( ) ซงจะใชเปนตวกำาหนดอณหภมและเวลาในการ sterilization อาหารเลยงเชอซงทำาใหไดเปลยนสมการท (16) เปน
= Ate-E/
RT.............................................(16)ซงเปนสมการทใชในการคำานวณหาระยะเวลาทเหมาะสมในการ sterilization อาหารเลยงเชอทอณหภมคงท และม mos ชนดเดยว
∆
∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 27
if we take natural log on Eq (16)ln t = E/RT + ln
A................................. (17)เมอ plot กราฟระหวาง ln t กบ T จะไดกราฟเสนตรงทม slope เทากบ E ดงแสดงในภาพท fig 5.4
∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 28
6.5 batch sterilizationการทำา batch sterilization นนมจดประสงคทจะใหปราศจากเชอและมการสญเสยของธาตอาหารนอยทสด อณหภมทสงสดทนยมใชคอ 121 oC การหาเวลาทนอยทสดในการฆาเชอนนสามารถทำาโดยการคดตงแตเรมใหความรอน (heating period) การทำาใหความรอนคงท (holding period) และชวงเวลาททำาใหเยนลง (cooling period) ความสมพนธของการใหความรอนกบเวลาทง 3 ชวงสามารถแสดงดงกราฟใน slide หนาถดไปโดย - heating period: แสดงดงชวง a-b - holding period: แสดงดงชวง b-c - cooling period: แสดงดงชวง c-d
11/12/10 Advance Fermentation Technology 29
heat
ing
holding
cooli
ng
t1 t2
t3a
b c
d
Tem
pera
ture
(T)
Time (t)
∆
Total = ln No/N = heating + holding + cooling
∆ ∆ ∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 30
การออกแบบ batch sterilization นนจะตองมขอมลดงตอไปนคอ- รปแบบการขนและลดลงของอณหภมของอาหารเลยงเชอ (ตงแตเรมตนจนเสรจสนกระบวนการ)- จำานวนจลนทรยเรมตนในอาหารเลยงเชอ- Thermal characteristic ของจลนทรย (สมมตวาเปนเชอ Bacillus stearothermophillus)- จำานวนจลนทรยทเหลอในอาหารเลยงเชอทอยในคาทยอมรบไดซงโดยปรกตคอ N = 10-3
หรอโอกาสทจะมจลนทรย 1 เซลลรอดหลงจากการ sterilization คอ 1 ใน 1000 นนเอง
11/12/10 Advance Fermentation Technology 31
ตวอยางเชนสมมตวาจำานวนจลนทรยเรมตนมคาเทากบ 1011 สามารถคำานวณหาคา ททำาให N = 10-3 ไดโดยจากททราบวา
= ln (N0 / N)
แทนคา N0 และ N ลงในสมการจะไดวา
= ln (1011/ 10-3) = ln 1014 = 32.2....................(18)แสดงวา Total ทใชในการลดจำานวนจลนทรยจาก 1011 10-3 คอ 32.2 แตในทางปฏบตการหาคา ของ heating และ cooling โดยการ integrate สมการท 16 คอ
= Ate-E/RT
∆
∆
∆
∆
∆
∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 32
แตทำาไดยากทางปฏบตเพราะอณหภมไมคงทและมรปแบบการเพม-ลดทสำาหรบอาหารเลยงเชอแตละชนดนนแตกตางกนออกไป
6.5.1 การคำานวณหา holding timeการคำานวณหา holding time ในกระบวนการ sterilization สามารถทำาไดโดย
Total = heating + holding + cooling ดงนน
holding = Total - heating - cooling
∆ ∆ ∆ ∆
∆ ∆ ∆ ∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 33
ตวอยางการคำานวณหา holding timeจาก Eq. (18) เราพบวา Total ทใชในการลดจำานวนจลนทรยจาก 1011 10-3 คอ 32.2 และสมมตวา heating = 9.8 และ
cooling = 10.1 ดงนนจาก
holding = Total - heating - coolingจะไดวา
holding = 32.2 – 9.8 – 10.1 = 12.3อณหภมทนยมใชคอ 121 oC ซงสามารถหาคา t ไดจากสมการ
∆
∆ ∆∆∆
∆
∆
∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 34
Total = k t ดงนน t = Total / k = 32.2/2.54 = 12.68 นาทซงดงทกลาวมาแลววาการหาคา ของ heating และ cooling ตองทำาการ integrate Eq. (16) และทางปฏบตจรงทำาไดยากเพราะรปแบบการเปลยนแปลงอณหภมไมแนนอนและมรปแบบการเพม-ลดทสำาหรบอาหารเลยงเชอแตละชนดนนแตกตางกนออกไปRichard (1968) ทำาการ integrate Eq. (16) โดยแบงแกนเวลาออกเปน 30 สวนเทาๆกน จากนนบนทกอณหภมทจดกงกลางของแตละจด และคำานวณหาคา k ของแตละจดจากจาก Eq.(13) โดยใช spore ของเชอ Bacillus stearothermophillus เปนเชอททำาการศกษา เพอหาคา ของ heating และ cooling วธการศกษาแสดงดงกราฟใน slide ถดไป
∆
∆
∆
∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 36
จะเหนไดวาเปนวธททำาไดยากและซบซอนดงนน Richard จงเสนอวธการทงายในการหา heating และ cooling โดยสมมตวา - spore ทงหมดถกทำาลายทอณหภมสงกวา 100 oC - ความสมพนธระหวางอณหภมทเปลยนแปลงในชวง heating และ cooling นนเปนเสนตรงจากนนเขาไดนำาผลการทดลองตามสมมตฐานของเขาเปนตารางคา k และ (ใช spore ของเชอ B. stearothermophillus) เมอมการเปลยนแปลงของ 1 oC / นาท ในชวง 100-130 oC ตารางของ Richard แสดงดงตารางท 5.2 ใน slide ถดไป
∆ ∆
∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 38
ตวอยางการใชคาจากจากตารางหาคา heating และ cooling จากการทำาใหอาหารเลยงเชอมอณหภมเพมขนจาก 100 oC เปน 121 oC ภายในเวลา 25 นาท และทำาใหเยนลงจาก 121 oC เปน 100 oC ภายใน 12 นาท จงหาคา heating และ coolingดงนนจะไดวา heating = (12.549 X 25 ) / 21 = 14.939 cooling = (12.549 X 12 ) / 21 = 7.1708
จากนนนำาคา heating และ cooling ทไดไปหา holding ได (โดยคำานวณ Total จากการกำาหนดคา ln (N0 / N) )
∆
∆
∆
21 องศา ในเวลา 25 นาท
21 องศา ในเวลา 12 นาท
∆
∆∆
∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 39
6.5.2 The scale up of batch sterilization processesการคำานวณหาคา นนไมนำาเทอมทเกยวกบปรมาตรเชนความเขมขนของ mos มาเกยวของ แตจะใชปรมาณ mos ทงหมดในการคดคำานวณดงนนเมอมปรมาณของอาหารเลยงเชอมากขนปรมาณของจลนทรยกจะมากขนดวย (ปรมาณของ No มากขนตามปรมาตรของอาหาร) แต ปรมาณของจลนทรยหลงการ sterilization (N) จะตองเทาเดมคอ (10-3) ดงนนคา Total จะตองมากขนดวยตวอยางเชนอาหารเลยงเชอ 1,000ลตร มจลนทรยเรมตน (No) เทากบ 106 เซลลตอมลลลตร ถาตองการทำาใหเหลอจลนทรยหลงการ sterilizationเหลอเทากบ 10-3 เซลลจะไดคา Total เทากบ
Total = ln {(106 X 103 X 103 ) / 10-3 }
= ln (1012 / 10 -3) = ln 1015 = 34.5
∆
∆
∆
1,000 ml X 1000 ลตร
11/12/10 Advance Fermentation Technology 40
แตถาขยายขนาดเปนอาหารเลยงเชอ 10,000 ลตร มจลนทรยเรมตน (No) เทากบ 106 เซลลตอมลลลตร ถาตองการทำาใหเหลอจลนทรยหลง sterilizationเหลอเทากบ 10-3 เซลลจะไดคา Total เทากบ
Total = ln {(106 X 103 X 104 ) / 10-3}
= ln (1013 / 10 -3) = ln 1016 = 36.8 จากนนนำาไปหาคา heating และ cooling ทไดไปหา holding และ holding time โดยวธ integrate หรอใชตารางของ Richard ได
6.5.2 Method of batch sterilization การ sterilization แบบ batch สามารถทำาการฆาเชออาหารเลยงในถงหมกโดยตรง
∆
∆
10,00 ml X 10,000 ลตร
∆ ∆
11/12/10 Advance Fermentation Technology 41
โดยตรงหรอทำาการฆาเชออาหารเลยงเชอใน sterilization vessel กอนทจะถายลงในถงหมกกได ขอดของการฆาอาหารเลยงเชอใน sterilization vessel สามารถสรปไดดงน- สามารถทำาการฆาเชออาหารจำานวนมากใน sterilization vessel ขนาดใหญเพยงครงเดยว กสามารถถายลงในถงหมกหลายถงได และในขณะทสามารถทำาการฆาเชออาหารเลยงใน sterilization vessel นน สามารถทำาความสะอาดถงหมกไปพรอมกนไดซงเปนการประหยดเวลา- สามารถเชอในอาหารทเขมขนใน sterilization vessel ขนาดเลก และเมอนำาไปใชกเจอจางใหไดความเขมขนทเหมาะสมในถงหมก
11/12/10 Advance Fermentation Technology 42
sterilization
sterilized medium fermentation
vesselssterilization vessel
fermentation vessels
sterilization vessel
11/12/10 Advance Fermentation Technology 43
- อาหารเลยงเชอบางชนดมความหนดสง และในขณะททำาการฆาเชอจะตองมการกวน (ใหความรอนกระจายทวถงทงถง) ซงจะตองใชมอเตอรทมกำาลงสง ดงนนถาทำาการฆาเชอใน sterilization vessel ขนาดใหญทมมอเตอรกำาลงสงเพยงครงเดยว กสามารถถายลงในถงหมกหลายถงได โดยไมจำาเปนทจะตองมมอเตอรกำาลงสงในถงหมกทกถง- อาหารเลยงเชอบางชนดทอณหภมสงสามารถทำาใหกดกรอนโลหะทใชทำาถงได
แตอยางไรกตามการการฆาอาหารเลยงเชอใน sterilization vessel กมขอเสยทสามารถสรปไดดงน
11/12/10 Advance Fermentation Technology 44
- ราคาของ sterilization vessel นนแพงเทาๆกบถงหมก- การถาย/สงผานอาหารเลยงเชอจาก sterilization vessel ไปยงถงหมกนนตองมระบบทอ ซงทำาใหมโอกาสเสยงตอการปนเปอนสงกวาการทำาการฆาเชออาหารเลยงเชอในถงหมกโดยตรง- ในกรณทระบบทอหรอ sterilization vessel ไมสามารถทำางานได จะทำาใหไมสามารถทำางานไดทงระบบ
การตดสนใจเลอกระบบการฆาเชอแบบใดนนขนอยกบความเหมาะสมของ ลกษณะของอาหารเลยงเชอ ราคาการกอสราง และขนาดของโรงงาน เปนสวนประกอบในการตดสนใจและวางระบบของโรงงาน
11/12/10 Advance Fermentation Technology 45
การฆาเชอในอาหารเลยงเชอแบบ batch sterilization นนวธนยมใชในระดบอตสาหกรรมไอนำามดวยกน 2 วธไดแก direct steam injection และ indirect steam injection ซงมวธการดงน
direct steam injection: ทำาโดยการ sterilized ถงหมกกอนแลวจงใสอาหารเลยงเชอลงในถงพรอมกบพนไอนำารอนใหผสมโดยตรงกบอาหารเลยงเชอ สงทตองคำานงถงคอไอนำารอนทำาใหอาหารเลยงเชอเจอจางลง ดงนนจะตองคำานวณความเขมขนตงตนของอาหารเลยงเชอเผอไว ซงโดยปรกตแลวปรมาณไอนำาทใชในการฆาเชอประมาณ 10-20%ของปรมาตรทงหมด
11/12/10 Advance Fermentation Technology 46
indirect steam injection: เปนการฆาเชอโดยการพนไอนำารอนลงใน jacket หรอในทอทพนรอบภายในถงหมก การฆาเชอเกดจากการสงถายความรอนซงแตกตางจากวธการแรกทใชความรอนจากไอนำารอนโดยตรง
การฆาเชอแบบ batch sterilization นทำาใหเกดการสญเสยคณคาทางอาหารของอาหารเลยงเชอเนองมาจากความรอนทใชในการฆาเชอโดยเฉพาะสารประกอบในกลม vitamin amino acid และ นำาตาลซงในสวนนจะบรรยายในสวนหลงเรองการสญเสยคณคาทางอาหารของอาหารเลยงเชอเนองมาจากความรอนทใชในการฆาเชอ
11/12/10 Advance Fermentation Technology 47
6.7 หลกการของ continuous sterilization
ภาพจาก http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/FERMENT/sterilizp.htm
11/12/10 Advance Fermentation Technology 48
การฆาเชอแบบ continuous sterilization ทนยมใชในระดบนนมอย 2 วธดวยกนคอ6.7.1 continuous plate heat exchanger (CPHE)6.7.2 continuous injector flash cooler6.7.1 continuous plate heat exchanger คำาถาม: heat exchanger คออะไร??? คำาตอบ: กระบวนการสงถายความรอน/กระบวนการแลกเปลยนความรอนคำาถาม: สงถายความรอนไปไหน??? แลกเปลยนกบอะไรคำาตอบ: สงถายไปยงสวนทเยนกวา/แลกเปลยนความรอนกบความเยน
11/12/10 Advance Fermentation Technology 49
ภาพแสดงการแลกเปลยนความรอน
จากภาพจะเหนวามการไหลผานของของเหลวทมอณหภมแตกตางกนโดยมผนงบางๆกน ดงนนจงเกดการแลกเปลยนความรอนระหวางของเหลวทงสองขน ดงนนอณหภมของของเหลวทงสองทจดทางเขากบกบจดทางออกจะไมเทาเดม อณหภมของของเหลวจะเปลยนไปดงแสดงในรปใน slide ท 50 และแสดงกราฟใน slide ท 51
ทมา : http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/FERMENT/index.html
11/12/10 Advance Fermentation Technology 50
http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/FERMENT/sandwich.gif
การแลกเปลยนความรอนแบบ Sandwich plate
11/12/10 Advance Fermentation Technology 51ทมา : http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/FERMENT/index.html
11/12/10 Advance Fermentation Technology 52
ประกอบดวย steam heated plate ทเรยงตอกน (ดงรป)
Dairy Processing Handbook. Published by Tetra Pak Processing Systems
AB, S-221 86 Lund, Sweden. pg. 86.
11/12/10 Advance Fermentation Technology 53
CPHE ประกอบดวย heat exchanger 3 สวนดวยกนคอ Pre-heat heat exchanger, Heating heat exchanger และ Cooling heat exchanger การตอกนของทง 3 สวนแสดงดงรปท 5.9 ใน slide ถดไป การทำางานเรมจากอาหารเลยงเชอถก pump เขาส Pre-heat heat exchanger เพอทำาใหอณหภมสงขนระดบหนงกอนผานส Heating heat exchanger ซงเปนสวนททำาใหอณหภมของอาหารเลยงเชอสงขนถงระดบทตองการ จากนนจงสงผานอาหารเลยงเชอทมอณหภมสงไปยง holding part ซงจะเปนสวนทรกษาอณหภมของอาหารเลยงเชอใหคงทระยะหนงกอนเขาสสวน Pre-heat heat exchanger เพอทำาใหอณหภมของอาหารเลยงเชอลดลง (โดยการแลกเปลยนความรอนกบอาหารทเขามาใหม) กอนจะถกทำาใหเยนลงถงอณหภมทตองการ โดยการแลกเปลยนความรอนกบนำาเยน) ในสวน Cooling heat exchanger
11/12/10 Advance Fermentation Technology 55
- continuous injector flash cooler: มวธการเพมอณหภมโดยการพนไอนำารอนใหกบอาหารเลยงเชอโดยตรงและรกษาอณหภมนนไวใหไดตามเวลาทกำาหนดกอนทจะทำาใหเยนลงอยางรวดเรวสวนประกอบทสำาคญจะมดวยกน 3 สวนไดแก - steam injector: ทำาหนาทฉดไอนำารอนใหกบอาหาร - holding section: ซงจะเปนสวนทรกษาอณหภมของอาหารเลยงเชอใหคงทตามเวลาทกำาหนด- vacuum chamber: บรเวณททำาใหอณหภมของอาหารลดลงจนไดตามทกำาหนดไวอยางรวดเรวรปของการตอระบบ continuous injector flash cooler แสดงดง slide หนาถดไป
11/12/10 Advance Fermentation Technology 56
วธการผสมกนของไอนำารอนกบอาหารเลยงเชอ
ทมา: http://www.foodsci.uoguelph.ca/deicon/uht2.html
11/12/10 Advance Fermentation Technology 58
ภาพ holding section และ รปแบบการลดลงของอณหภมอยางรวดเรวโดย vacuum chamberภาพจาก: http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/Projects00/sterilize/continuous.html
11/12/10 Advance Fermentation Technology 59
ขอดและขอเสยของการใช steam injection ในการฆาเชอขอด1. ตนทนตำา2. สามารถใชในการฆาเชออาหารเลยงเชอทมของแขงแขวนลอย3. ดแลรกษาและทำาความสะอาดเครองมอไดงาย4. เวลาทใชในการใหความรอนและทำาใหเยนสน5. เปนวธทใชไอนำารอนไดอยางมประสทธภาพขอเสย1. การเกดฟองในอาหารเลยงเชอระหวางการทำาใหรอน-เยน2. ไอนำารอนทใชตองปราศจากการปนเปอนของสารเคม
11/12/10 Advance Fermentation Technology 60
สำาหรบอณหภมและเวลาทใชในการฆาเชอนนจะแตกตางกนออกไปขนอยกบชนด องคประกอบ ความเขมขน ปรมาตร ความหนด สงแขวนลอย ฯลฯ ของอาหารเลยงเชอซงจะความแตกตางกนในมชวงทกวางมาก
6.8 สงทตองคำานงถงในการ sterilizationวตถประสงคในการ sterilization คอตองการใหอาหารเลยงเชอปราศจากสงมชวตใดๆ ซงเรานยมใชความรอนในการทำาลาย แตสงทตองคำานงคอ- สารอาหารบางสวนนนกถกทำาลายดวย
11/12/10 Advance Fermentation Technology 61
- อาหารบางชนดเกดการเปลยนแปลงทางการภาพและ/ทางเคมดวยความรอน เชนการเกดสเขมขน การเกดสารโมเลกลใหญ การตกตะกอน- การเกดปฏกรยาขององคประกอบของอาหารเนองจากความรอนดงนนจงมความจำาเปนทจะตองทราบคณสมบต องคประกอบ และขอจำากดของอาหารเลยงเชอเพอจะไดใชอณหภม เวลา และวธการทเหมาะสมในการ sterilization
แตอยางไรกตามคาของอณหภม และ เวลาในการกำาจดเชอนนจะตองอยในชวงทกำาหนดเพราะถาตำากวาทกำาหนดไวจะไมสามารถกำาจดเชอได ตวอยางของกราฟแสดงรปแบบของอณหภม และ เวลาในการกำาจดเชอ (ในนำานม) แสดงดงรปกราฟใน side ถดไป
11/12/10 Advance Fermentation Technology 63
จากกราฟ และสมการทไดกลาวมาเบองตนพบวา อตราการตายของ
จลนทรยเปนสดสวนโดยตรงกบอณหภม ดงนนเทคนคทดในการ sterilization นนควรเลอกใชอณหภมทสงและคงทไวในเวลาสนและทำาใหเยนลงในเวลาอนรวดเรว ซงจะเหมาะสมกบการ sterilize อาหารเลยงเชอ (และอาหารประเภทอน เชนนำานม) เพราะสามารถทำาลาย
จลนทรยแตไมทำาลายสารอาหารในอาหารเลยงเชอ
ขอดของ batch sterilization1. ตนทนในการลงทนดานเครองจกรและอปกรณตางๆในกระบวนตำา2. โอกาสในการปนเปอนนอยกวา continuous sterilization3. ควบคมงาย
11/12/10 Advance Fermentation Technology 64
4. ใชไดด สะดวก กบอาหารทมปรมาณของแขงเจอปนสง
ขอดของ continuous sterilization 1. คงคณภาพของอาหารเลยงเชอ (อาหารอนๆ) ไวไดดกวาการฆาเชอแบบ batch 2. ขยายขนาดไดงาย3. มระบบควบคมกระบวนการทด4. อาหารเลยงเชอ (อาหารอนๆ) ไดรบความรอนอยางสมำาเสมอและคงท5. ใชเวลาสน
11/12/10 Advance Fermentation Technology 65
6.9 การ sterilization โดยวธการกรอง (filtration)คำาถาม: การกรองคออะไร?????คำาตอบ: ..................................................................................คำาถาม: กรองเพออะไร?????คำาตอบ: - แยกสวนทไมตองการออก
- แยกสวนทตองการเกบไวหลกของการกรอง: รกรองตองมขนาดเลกกวาของทตองการกรองแตมขนาดใหญเพยงพอทจะใหของไหลนนผานไปได คำาถาม: ของไหลคออะไร???
คำาตอบ: ของไหลมาจากภาษาองกฤษวา fluid
11/12/10 Advance Fermentation Technology 67
การ sterilization โดยการกรองนนนยมใชกบ- อากาศ- อาหารเลยงเชอบางชนดทไมสามารถฆาเชอดวยความรอน- ยาปฏชวนะ และสารเคม-ชวเคมบางชนดทไมสามารถฆาเชอดวยความรอนแตโดยสวนใหญในอตสาหกรรมการหมกนนนยมใชการกรองเพอการกำาจดจลนทรยในอากาศกอนทจะเตมลงในถงหมกเพราะเปนวธทสะดวกและตนทนการ operate ตำา หลกของการกรองจลนทรยออกจากอากาศนนคอการแยก small particle ออกจากอากาศ ดงนนขนาดของรกรองจะตองเลกกวาขนาดของจลนทรย ความสมพนธระหวางขนาดของรกรองกบจลนทรยแสดงดง slide รปถดไป
11/12/10 Advance Fermentation Technology 69
http://www.np.edu.sg/~dept-io/biochemical_engineering/lectures/bioreact1/bioreact2_3b2.htm
11/12/10 Advance Fermentation Technology 70
คณตศาสตรของการกรองจาก dN/dt = - kN........................................(1)เปน dN/dL = - kN........................................(19)โดยท N = the number of variable mos; k =คาคงทของการกรอง; and L = ความหนาของแผนกรอง ดงนน Eq. 19 may be integrated to obtain: N = N0e-
kL.............................................(20)where N0 = the number of variable mos at time L = 0. It should be note that N may be considered as the total number of mos
11/12/10 Advance Fermentation Technology 71
From Eq. 20 we can getN / N0 = e-
kL..........................................(21)take ln to Eq. 21
ln (N / N0) = - kL ................................ (22)or
ln (N0 / N) = kL.....................................(23)ดงทกลาวมาแลวในขางตนวา k เปนคาคงทของการกรองทขนกบความเรวของอากาศ ชนด รปราง ขนาด การอดตวของตวกรอง และความหนาแนนของจลนทรย (จำานวน particle) โดยปรกตแลวคา k จะถกกำาหนดใหอยในรปความหนาของแผนกรองทสามารถลดจำานวนจลนทรยลงได 90 % (L90) จากจำานวนจลนทรยเรมตน
11/12/10 Advance Fermentation Technology 72
ดงนนจาก Eq. (23) จะไดวา ln (N0 / N) = ln (100 / 10) = kL90.......................(24)หรอ k = 2.303 / L90....................................................(25)ตวอยางการคำานวณโจทย: จากขอมลทกำาหนดใหในตาราง ถาตองการแยก spore ของจลนทรย ออกจากอากาศทมความเรว 15.4 เมตร/วนาท โดยใชแผนกรองใยแกวททขนาด 16 µm. จงคำานวณความหนาของแผนกรองเพอลดปรมาณของ spore ใหเหลอเทากบ1) 1,000: 12) 10,000:1
11/12/10 Advance Fermentation Technology 73
ตาราง: แสดงความสมพนธระหวางขนาดของเสนใย ความเรวของอากาศ และคา L90
ขนาดของเสนใย ความเรวของอากาศ L90
16µm 0.031 เมตร/วนาท 4.10
0.154 เมตร/วนาท 9.14
0.310 เมตร/วนาท11.70
1.540 เมตร/วนาท 1.52
3.080 เมตร/วนาท 0.38
จาก Eq. (25) k = 2.303 / L90
= 2.303 / 1.52
11/12/10 Advance Fermentation Technology 74
ดงนน k = 1.515และจากEq (23) ln (N0 / N) = kL
แทนคาจากโจทยขอ 1) 1,000:1 นนคอ N0 = 1,000 และ N = 1ดงนน ln 1,000 = 1.515 Lจะไดวา L = 6.908 / 1.515
= 4.56 เซนตเมตร และแทนคาจากโจทยขอ 2) 10,000:1 นนคอ N0 = 10,000 และ N = 1
ดงนน ln 10,000 = 1.515 Lจะไดวา L = 6.08 เซนตเมตร
11/12/10 Advance Fermentation Technology 75
References 1. สมใจ ศรโภค 2544. จลชววทยาอสาหกรรม ศนยสอสงเสรมกรงเทพ, หวยขวาง กรงเทพฯ, 101-122 น. 4. อรไท สขเจรญ 2545 วศวกรรมชวเคม สำานกพมพมหาวทยาลยรามคำาแหง กรงเทพฯ, 161-198 น.3. Crueger, W and Crueger A., 1984. Biotechnology A Textbook of Industrial Microbiology, Science Tech, USA, pp. 83-904. Dairy Processing Handbook. Published by Tetra Pak Processing Systems AB, S-221 86 Lund, Sweden. pp. 865. Stanbury, P.F. Whitaker, A. and Hall, S.J., 1984. Principle of Fermentation Technology (1st edition), Pergamon press UK, pp. 91-107
11/12/10 Advance Fermentation Technology 76
6. Stanbury, P.F. Whitaker, A. and Hall, S.J., 1995. Principle of Fermentation Technology (2ndedition), Pergamon press UK, pp. 123-1457. http://www.foodsci.uoguelph.ca/deicon/uht2.html8. http://www.foodsci.uoguelph.ca/dairyedu/TDT.html9. http://www.np.edu.sg/~dept-io/biochemical_engineering/ lectures/bioreact1/bioreact2_3b2.htm10. http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/Projects 00/sterilize/continuous.html 11 http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/FERMENT /sterilizp.htm
top related