lecture 6 aft

11/12/10 Advance Fermentation Technology 1

รายวชา 1101704: เทคโนโลยการหมกขนสง

(Advance Fermentation Technology)

อาจารยผรบผดชอบรายวชา อาจารยสาขาวชาจลชววทยา ภาควชาวทยาศาสตรชวภาพ

คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยอบลราชธาน


Sterilization วตถประสงค- สามารถบอกถงสมการการใชอธบายกระบวนการ

กำาจดเชอได- สามารถบอกวธการกำาจดเชอในอาหารเลยงเชอ

ระดบอตสาหกรรม- สามารถบอกระบบการกำาจดเชอทใชในระดบ

อตสาหกรรม- สามารถบอกระบบการกำาจดเชอในอากาศทใช

ในระดบอตสาหกรรม


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


คำาถาม: ทำาไมตองใหอาหารเลยงเชอนนปราศจากเชอจลนทรยใดๆ กอนทเราทำาการเพาะเลยงจลนทรยทเราตองการ????คำาตอบ: เพราะไมตองการใหมจลนทรยชนดอนเจรญในอาหารเพาะเลยงจลนทรยของเรา

คำาถาม: ถามจลนทรยชนดอนเจรญในอาหารเพาะเลยงจลนทรยของเราแลวมผลเสยอะไรเกดขน?????

คำาตอบ:1. เกดการแยงอาหาร ทำาใหเกดผลกระทบกบจลนทรยทเราเพาะเลยงโดยทำาใหอตราการเจรญของจลนทรยทตองการลดลง ซงจะสงผลกระทบใหผลผลตทตองการลดลง และการเกดผลตภณฑทไมตองการ


2. เกดการปนเปอนของจลนทรยทไมตองการและสารทจลนทรยสรางขนปนเปอนในผลผลตขนสดทาย3. ผลตภณฑทไมตองการนนอาจไมสามารถแยกออกจากผลผลตทตองการไดหรอ ตองเสยคาใชจายเพมในการแยกสวนทไมตองการออก4. ผลตภณฑทไมตองการนนอาจเปนสารพษทเปนอนตราย5. จลนทรยทปนเปอนมอาจอตราการเจรญทสงกวาจลนทรยทเราเพาะเลยง และสามารถเจรญแทนทจลนทรยของเราได6. จลนทรยทปนเปอนบางชนดเชน bacteriophage สามารถทำาลายจลนทรยทเราเพาะเลยงได


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


- 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)


สำาหรบวธสดทายคอ aseptic fermentation นนเปนกระบวนการหมกทใชกระบวนการกำาจดเชอ ใชเชอ pure culture เปนเชอตงตน และรกษาสภาพปลอดเชอตลอดการหมกตงแตตนจนจบกระบวนการ

วธการทำาใหปลอดเชอในระดบอตสาหกรรมนยมวธทางกายภาพคอการใชความรอน ซงใชทงความรอนแหง (โดยใชหลกการถายเทความรอน)และความรอนชน (ไอนำารอน) การกรอง การใชรงส และการใชสารเคม

การกำาจดเชอในระดบอตสาหกรรมในอาหารเลยงเชอนนนยมใชการใหความรอนเปนหลกเพราะเปนวธทงาย สะดวก และมประสทธภาพสง


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


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)


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


N N0

N N0

ln

time (min ) at 121 oC

กราฟแสดงการเปลยนแปลงของอตราสวนของจำานวนเซลลทรอดชวตตอจำานวนเซลลเรมตนทระยะเวลาตางๆ

1

2

3

4

56

7

89

time (min ) at 121 oC

D


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)


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)


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


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


อตราการงอกของ spore ทไดรบการกระตนโดยความรอนเทากบอตราการถกทำาลาย

อตราการงอกของ spore ทไดรบการกระตนโดยความรอนนอยกวาอตราการถกทำาลาย

อตราการงอกของ spore ทไดรบการกระตนโดยความรอนมากกวาอตราการถกทำาลาย


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


ในทางกลบกนถามจลนทรยทไมทนตอความรอนมนอยกวาจลนทรยททนตอความรอนสงกราฟทไดแสดงดงรป 5.3b

จากรป 5.3b พบวากราฟทไดเปนเสนตรงซงสามารถอธบายไดวากราฟเสนนนเปนกราฟทไดจากเกดจากการทำาลายจลนทรยททนตอความรอนสงเปนหลก โดยทจลนทรยทไมทนตอความรอนไมมอทธพลใดๆทำาใหเกดการเปลยนแปลงของเสนกราฟ

ถาทำาการกำาจดจลนทรยดวยความรอนภายใตสภาวะคงทเราจะพบวาคา reaction rate of constant จะแปรผนโดยตรงกบอณหภมซงสามารถอธบายดวย Arrhenius equation ไดดงน


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


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

∆

∆


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

∆


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


heat

ing

holding

cooli

ng

t1 t2

t3a

b c

d

Tem

pera

ture

(T)

Time (t)

∆

Total = ln No/N = heating + holding + cooling

∆ ∆ ∆


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


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

∆

∆

∆

∆

∆

∆


แตทำาไดยากทางปฏบตเพราะอณหภมไมคงทและมรปแบบการเพม-ลดทสำาหรบอาหารเลยงเชอแตละชนดนนแตกตางกนออกไป

6.5.1 การคำานวณหา holding timeการคำานวณหา holding time ในกระบวนการ sterilization สามารถทำาไดโดย

Total = heating + holding + cooling ดงนน

holding = Total - heating - cooling

∆ ∆ ∆ ∆

∆ ∆ ∆ ∆


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

∆

∆ ∆∆∆

∆

∆

∆


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

∆

∆

∆

∆


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

∆ ∆

∆


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

∆

∆∆

∆


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


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

∆ ∆


โดยตรงหรอทำาการฆาเชออาหารเลยงเชอใน sterilization vessel กอนทจะถายลงในถงหมกกได ขอดของการฆาอาหารเลยงเชอใน sterilization vessel สามารถสรปไดดงน- สามารถทำาการฆาเชออาหารจำานวนมากใน sterilization vessel ขนาดใหญเพยงครงเดยว กสามารถถายลงในถงหมกหลายถงได และในขณะทสามารถทำาการฆาเชออาหารเลยงใน sterilization vessel นน สามารถทำาความสะอาดถงหมกไปพรอมกนไดซงเปนการประหยดเวลา- สามารถเชอในอาหารทเขมขนใน sterilization vessel ขนาดเลก และเมอนำาไปใชกเจอจางใหไดความเขมขนทเหมาะสมในถงหมก


sterilization

sterilized medium fermentation

vesselssterilization vessel

fermentation vessels

sterilization vessel


- อาหารเลยงเชอบางชนดมความหนดสง และในขณะททำาการฆาเชอจะตองมการกวน (ใหความรอนกระจายทวถงทงถง) ซงจะตองใชมอเตอรทมกำาลงสง ดงนนถาทำาการฆาเชอใน sterilization vessel ขนาดใหญทมมอเตอรกำาลงสงเพยงครงเดยว กสามารถถายลงในถงหมกหลายถงได โดยไมจำาเปนทจะตองมมอเตอรกำาลงสงในถงหมกทกถง- อาหารเลยงเชอบางชนดทอณหภมสงสามารถทำาใหกดกรอนโลหะทใชทำาถงได

แตอยางไรกตามการการฆาอาหารเลยงเชอใน sterilization vessel กมขอเสยทสามารถสรปไดดงน


- ราคาของ sterilization vessel นนแพงเทาๆกบถงหมก- การถาย/สงผานอาหารเลยงเชอจาก sterilization vessel ไปยงถงหมกนนตองมระบบทอ ซงทำาใหมโอกาสเสยงตอการปนเปอนสงกวาการทำาการฆาเชออาหารเลยงเชอในถงหมกโดยตรง- ในกรณทระบบทอหรอ sterilization vessel ไมสามารถทำางานได จะทำาใหไมสามารถทำางานไดทงระบบ

การตดสนใจเลอกระบบการฆาเชอแบบใดนนขนอยกบความเหมาะสมของ ลกษณะของอาหารเลยงเชอ ราคาการกอสราง และขนาดของโรงงาน เปนสวนประกอบในการตดสนใจและวางระบบของโรงงาน


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


indirect steam injection: เปนการฆาเชอโดยการพนไอนำารอนลงใน jacket หรอในทอทพนรอบภายในถงหมก การฆาเชอเกดจากการสงถายความรอนซงแตกตางจากวธการแรกทใชความรอนจากไอนำารอนโดยตรง

การฆาเชอแบบ batch sterilization นทำาใหเกดการสญเสยคณคาทางอาหารของอาหารเลยงเชอเนองมาจากความรอนทใชในการฆาเชอโดยเฉพาะสารประกอบในกลม vitamin amino acid และ นำาตาลซงในสวนนจะบรรยายในสวนหลงเรองการสญเสยคณคาทางอาหารของอาหารเลยงเชอเนองมาจากความรอนทใชในการฆาเชอ


6.7 หลกการของ continuous sterilization

ภาพจาก http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/FERMENT/sterilizp.htm


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


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


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


ประกอบดวย steam heated plate ทเรยงตอกน (ดงรป)

Dairy Processing Handbook. Published by Tetra Pak Processing Systems

AB, S-221 86 Lund, Sweden. pg. 86.


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


แลวจงสงไปสถงหมก การตอกนของระบบ CPHE แสดงดงรป

PHE


- continuous injector flash cooler: มวธการเพมอณหภมโดยการพนไอนำารอนใหกบอาหารเลยงเชอโดยตรงและรกษาอณหภมนนไวใหไดตามเวลาทกำาหนดกอนทจะทำาใหเยนลงอยางรวดเรวสวนประกอบทสำาคญจะมดวยกน 3 สวนไดแก - steam injector: ทำาหนาทฉดไอนำารอนใหกบอาหาร - holding section: ซงจะเปนสวนทรกษาอณหภมของอาหารเลยงเชอใหคงทตามเวลาทกำาหนด- vacuum chamber: บรเวณททำาใหอณหภมของอาหารลดลงจนไดตามทกำาหนดไวอยางรวดเรวรปของการตอระบบ continuous injector flash cooler แสดงดง slide หนาถดไป


วธการผสมกนของไอนำารอนกบอาหารเลยงเชอ

ทมา: http://www.foodsci.uoguelph.ca/deicon/uht2.html


แลวจงสงไปสถงหมก การตอกนของระบบแสดงดงรปท 5.9


ภาพ holding section และ รปแบบการลดลงของอณหภมอยางรวดเรวโดย vacuum chamberภาพจาก: http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/Projects00/sterilize/continuous.html


ขอดและขอเสยของการใช steam injection ในการฆาเชอขอด1. ตนทนตำา2. สามารถใชในการฆาเชออาหารเลยงเชอทมของแขงแขวนลอย3. ดแลรกษาและทำาความสะอาดเครองมอไดงาย4. เวลาทใชในการใหความรอนและทำาใหเยนสน5. เปนวธทใชไอนำารอนไดอยางมประสทธภาพขอเสย1. การเกดฟองในอาหารเลยงเชอระหวางการทำาใหรอน-เยน2. ไอนำารอนทใชตองปราศจากการปนเปอนของสารเคม


สำาหรบอณหภมและเวลาทใชในการฆาเชอนนจะแตกตางกนออกไปขนอยกบชนด องคประกอบ ความเขมขน ปรมาตร ความหนด สงแขวนลอย ฯลฯ ของอาหารเลยงเชอซงจะความแตกตางกนในมชวงทกวางมาก

6.8 สงทตองคำานงถงในการ sterilizationวตถประสงคในการ sterilization คอตองการใหอาหารเลยงเชอปราศจากสงมชวตใดๆ ซงเรานยมใชความรอนในการทำาลาย แตสงทตองคำานงคอ- สารอาหารบางสวนนนกถกทำาลายดวย


- อาหารบางชนดเกดการเปลยนแปลงทางการภาพและ/ทางเคมดวยความรอน เชนการเกดสเขมขน การเกดสารโมเลกลใหญ การตกตะกอน- การเกดปฏกรยาขององคประกอบของอาหารเนองจากความรอนดงนนจงมความจำาเปนทจะตองทราบคณสมบต องคประกอบ และขอจำากดของอาหารเลยงเชอเพอจะไดใชอณหภม เวลา และวธการทเหมาะสมในการ sterilization

แตอยางไรกตามคาของอณหภม และ เวลาในการกำาจดเชอนนจะตองอยในชวงทกำาหนดเพราะถาตำากวาทกำาหนดไวจะไมสามารถกำาจดเชอได ตวอยางของกราฟแสดงรปแบบของอณหภม และ เวลาในการกำาจดเชอ (ในนำานม) แสดงดงรปกราฟใน side ถดไป


ทมา: http://www.foodsci.uoguelph.ca/dairyedu/TDT.html


จากกราฟ และสมการทไดกลาวมาเบองตนพบวา อตราการตายของ

จลนทรยเปนสดสวนโดยตรงกบอณหภม ดงนนเทคนคทดในการ sterilization นนควรเลอกใชอณหภมทสงและคงทไวในเวลาสนและทำาใหเยนลงในเวลาอนรวดเรว ซงจะเหมาะสมกบการ sterilize อาหารเลยงเชอ (และอาหารประเภทอน เชนนำานม) เพราะสามารถทำาลาย

จลนทรยแตไมทำาลายสารอาหารในอาหารเลยงเชอ

ขอดของ batch sterilization1. ตนทนในการลงทนดานเครองจกรและอปกรณตางๆในกระบวนตำา2. โอกาสในการปนเปอนนอยกวา continuous sterilization3. ควบคมงาย


4. ใชไดด สะดวก กบอาหารทมปรมาณของแขงเจอปนสง

ขอดของ continuous sterilization 1. คงคณภาพของอาหารเลยงเชอ (อาหารอนๆ) ไวไดดกวาการฆาเชอแบบ batch 2. ขยายขนาดไดงาย3. มระบบควบคมกระบวนการทด4. อาหารเลยงเชอ (อาหารอนๆ) ไดรบความรอนอยางสมำาเสมอและคงท5. ใชเวลาสน


6.9 การ sterilization โดยวธการกรอง (filtration)คำาถาม: การกรองคออะไร?????คำาตอบ: ..................................................................................คำาถาม: กรองเพออะไร?????คำาตอบ: - แยกสวนทไมตองการออก

- แยกสวนทตองการเกบไวหลกของการกรอง: รกรองตองมขนาดเลกกวาของทตองการกรองแตมขนาดใหญเพยงพอทจะใหของไหลนนผานไปได คำาถาม: ของไหลคออะไร???

คำาตอบ: ของไหลมาจากภาษาองกฤษวา fluid


การ sterilization โดยการกรองนนนยมใชกบ- อากาศ- อาหารเลยงเชอบางชนดทไมสามารถฆาเชอดวยความรอน- ยาปฏชวนะ และสารเคม-ชวเคมบางชนดทไมสามารถฆาเชอดวยความรอนแตโดยสวนใหญในอตสาหกรรมการหมกนนนยมใชการกรองเพอการกำาจดจลนทรยในอากาศกอนทจะเตมลงในถงหมกเพราะเปนวธทสะดวกและตนทนการ operate ตำา หลกของการกรองจลนทรยออกจากอากาศนนคอการแยก small particle ออกจากอากาศ ดงนนขนาดของรกรองจะตองเลกกวาขนาดของจลนทรย ความสมพนธระหวางขนาดของรกรองกบจลนทรยแสดงดง slide รปถดไป


http://www.np.edu.sg/~dept-io/biochemical_engineering/lectures/bioreact1/bioreact2_3b2.htm


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


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


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


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



จาก Eq. (25) k = 2.303 / L90

= 2.303 / 1.52


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


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


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


12. http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/FERMENT /index.html

13. http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/FERMENT/ sandwich.gif

lecture 6 aft

Documents