Thiết kế hệ thống bioreactor kiểm soát nhiệt độ và PH trong nuôi cấy vi sinh vật tại viện KHCN&QL môi trường, ĐH công nghiệp TPHCM

Trong lĩnh vực môi trường, sinh khối được bổ sung vào các hệ thống xử lý giúp gia tăng quần thể vi sinh vật có lợi trong nước thải. Hệ thống được thiết kế trên vật liệu inox 304 có dung tích nuôi cấy từ 2 đến 10 lít phù hợp cho các nghiên cứu ứng dụng quy mô pilot. Mời các bạn cùng tham khảo!

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 39B, 2019 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NUÔI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MƠI TRƢỜNG, ĐH CƠNG NGHIỆP TPHCM NGUYỄN HỒNG MỸ1, ĐỖ TÂN KHOA 2, HỒ ĐỨC LINH1, PHAN THỊ XUÂN LINH1, NGUYỄN CHÍ THÀNH1 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, Trung tâm đào tạo KCN Thành phố Hồ Chí Minh hoangmy554@gmail.com Tóm tắt Bioreactor hệ thống nuôi cấy nhằm thu nhận sinh khối sản phẩm vi sinh vật Trong lĩnh vực môi trường, sinh khối bổ sung vào hệ thống xử lý giúp gia tăng quần thể vi sinh vật có lợi nước thải Hệ thống thiết kế vật liệu inox 304 có dung tích ni cấy từ đến 10 lít phù hợp cho nghiên cứu ứng dụng quy mô pilot Hệ thống sử dụng phương pháp gia nhiệt qua thành với cảm biến nhiệt PT100, điều chỉnh nhiệt độ khoảng 30-80OC; đầu dò pH hãng Atlas Scientific biên độ đo 0-14; có đèn UV để tiệt trùng, hình hiển thị thơng số cài đặt, van điều khiển lưu lượng khí; nuôi cấy theo mẻ nuôi cấy liên tục nhờ van nạp van xả Hệ thống điều khiển tay phần mềm Bioreactor HC06 cài đặt điện thoại thông minh kết nối qua Bluetooth Từ khóa: bioreactor, ni cấy, sinh khối vi sinh vật, xử lý nước thải DESIGN BIOREACTOR TO CONTROL TEMPERATURE AND pH FOR MICROORGANISM CULTURE AT INSTITUTE OF ENVIRONMENTAL SCIENCE, ENGINEERING AND MANAGEMENT; INDUSTRIAL UNIVERSITY OF HO CHI MINH CITY Abstract Bioreactor is a culture equipment for capturing biomass or microbial products In the field of environment, biomass is added to treatment systems to increase the beneficial microbial population in wastewater The bioreactor is designed on 304 stainless steel with culture capacity from to 10 liters suitable for pilot scale applications The system uses the method of heating through the wall with PT100 temperature sensor, adjusting the temperature in the range of 30-80OC; the Atlas Scientific pH probe measuring range 0-14; with the UV light for sterilization, the screen to display of setting parameters, the air-flow-control valve The system can be used for for batch culture or continuous culture through intake and exhaust valves The system can be controlled manually or by software Bioreactor HC06 installed on a smartphone connected via Bluetooth Keywords: bioreactor, culture, microbial bioass, waste water treatment GIỚI THIỆU Bioreactor hay gọi hệ thống lên men nồi phản ứng sinh học sử dụng thùng chứa để nuôi giữ tế bào nhằm khai thác q trình sinh hóa, thu nhận sinh khối sản phẩm chuyển hóa thứ cấp Hệ thống cung cấp môi trường dinh dưỡng điều kiện ni cấy có kiểm sốt để tế bào phát triển theo mục đích khai thác [10, 13] Bioreactor sử dụng để nuôi cấy tế bào vi sinh vật, động vật, thực vật … liên tục theo mẻ, điều kiện hiếu khí kỵ khí Vật liệu thiết kế inox, thép khơng gỉ, hợp kim kháng khuẩn, thủy tinh chịu lực …Kích © 2019 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 224 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NUÔI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM thước hệ thống quy mơ phịng thí nghiệm từ đến 50 lít, quy mơ pilot từ 0,3 đến 10m3 quy mô công nghiệp từ đến 500m3 thường có tỷ lệ chiều cao đường kính thùng lên men 2/1 3/1 [8,9] Các điều kiện q trình ni cấy kiểm soát tự động bán tự động thông qua điều khiển Trong điều kiện nuôi cấy lỏng, cần kiểm soát việc pha trộn thành phần dung dich tế bào, nhằm đảm bảo chuyển khối chất dinh dưỡng đến bề mặt tế bào cách tốt Cường độ pha trộn tùy thuộc loại cánh khuấy tốc độ khuấy Tuy nhiên, sử dụng cánh khuấy tác động đến cấu trúc làm phá vỡ tế bào Ở trường hợp hệ lên men hiếu khí, phun lỗ đơn phun vòng thường sử dụng để sục khí cho hệ lên men Với thể tích nhỏ, việc sục khí thay cho cánh khuấy để phối trộn tế bào môi trường dinh dưỡng Độ pH hệ lên men trì cách dùng dung dịch đệm điều chỉnh pH Đầu dị pH gắn hệ thống rời bên Nhiệt độ điều chỉnh hệ thống gia nhiệt đặt đáy gia nhiệt qua thành Phương pháp gia nhiệt qua thành kết hợp với dòng dung dịch bên giúp trình kiểm sốt nhiệt độ nhanh xác hơn, đồng thời ảnh hưởng đến tế bào tiếp xúc gần với vị trí gia nhiệt [6,13] Trong điều kiện nuôi cấy theo mẻ, tế bào vi sinh vật phát triển theo giai đoạn tiền phát, logarit, cân suy vong Trong điều kiện nuôi cấy liên tục, tế bào vi sinh vật cung cấp dinh dưỡng tiếp tục trì pha cân Pha logarit giai đoạn tế bào phân chia làm gia tăng sinh khối nhanh nhất, đồng thời pha tiêu tốn nhiều dinh dưỡng môi trường nuôi cấy Pha cân thường gia tăng sản phẩm phụ thứ cấp, chất trao đổi tế bào môi trường làm ảnh hưởng nhiều đến thành phần môi trường Cuối pha logarit, đầu pha cân thường giai đoạn tốt cho việc thu nhận sinh khối tế bào Pha cân giai đoạn tốt cho việc thu nhận sản phẩm chuyển hóa thứ cấp Tùy vào mục đích ni cấy để lựa chọn hình thức thời điểm thích hợp để hiệu suất ni cấy tối đa [2,10,14] Trong cơng trình xử lý nước thải, việc sử dụng sinh khối vi sinh vật cho giai đoạn khởi động bổ sung sau tái tuần hoàn bùn vấn đề bắt buộc Sinh khối dạng đơng khơ dạng nước, thu nhận sau q trình ni cấy bioreactor công nghiệp Các chủng vi sinh vật phải nghiên cứu khả thích nghi với nguồn dinh dưỡng điều kiện lý hóa đặc trưng loại nước thải, từ đánh giá khả làm giảm chất hữu nitơ, carbon, phospho … Sau đó, chủng vi sinh vật tuyển chọn phải qua giai đoạn thử nghiệm pilot phịng thí nghiệm mơ hình xử lý nước thải mô hệ thống thực tế Tại Viện Khoa học công nghệ quản lý môi trường, mơ hình thiết kế có khả xử lý từ 50 – 100 lít nước thải, tùy theo công nghệ phương pháp sử dụng Tương ứng với thể tích nước thải trên, vi sinh vật có mật độ 106 – 109 tế bào/ml cần sử dụng từ đến 10 lít sản phẩm dung dịch sau ni cấy Thể tích cụ thể phải tính toán dựa hàm lượng chất rắn lơ lửng hỗn hợp dễ bay (MLVSS - đại diện cho mật độ vi sinh vật có bùn hoạt tính), tỷ số F/M (thức ăn/vi sinh vật) mức độ ô nhiễm nước thải Thông thường, chủng vi sinh vật tiềm nuôi cấy bình tam giác máy lắc Lắc nhẹ bình tam giác hiệu để tạo dịch huyền phù tế bào, tăng cường oxy hóa thơng qua bề mặt chất lỏng trợ giúp chuyển khối chất dinh dưỡng mà không gây nguy hiểm cho cấu trúc tế bào Tuy nhiên phương pháp có hiệu khơng cao khó kiểm sốt điều kiện ni cấy Mặc khác, dung tích bình tam giác khơng đủ cho việc thu nhận thể tích sản phẩm cho mơ hình thực nghiệm xử lý nước thải [6,8,9] Vì vậy, cần thiết phải có hệ thống mô bioreactor công nghiệp, với thể tích phù hợp, vận hành đơn giản để phục vụ giảng dạy nghiên cứu ứng dụng sinh viên giảng viên © 2019 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM 2.1 225 PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Phƣơng pháp nghiên cứu thiết kế - Sử dụng phần mềm Autocad 2D solidwork để thiết kế vẽ mô hình với u cầu: (1) thể tích từ đến 10 lít, (2) gia nhiệt khoảng 30 đến 80OC, (3) điều chỉnh pH khoảng đến14, (4) có khả sục khí, tiệt trùng, (5) bổ sung dung dịch dinh dưỡng thu nhận sản phẩm theo mẻ, (6) dễ vận hành kiểm sốt q trình giảng dạy, thực nghiên cứu - Từ vẽ, tiến hành gia công vật liệu inox 304 Đây chất liệu inox chống ăn mịn cao, chịu nhiệt tốt, dễ tạo hình, gia cơng tất phương pháp hản, khơng có từ tính, có khả đàn hồi cao, giá thành hợp lý cho việc gia công thiết kế Mặc khác, sử dụng hệ thống vật liệu inox trình giảng dạy, nghiên cứu đảm bảo mặt an toàn cho sinh viên so với chất liệu thủy tinh - Nâng cao khả giám sát hệ thống phần mềm kết nối với điện thoại thông minh qua Bluetooth: dễ dàng cài đặt sử dụng điện thoại Android, hiển thị số liệu điều khiển trực tiếp từ điện thoại 2.2 Phƣơng pháp đánh giá vận hành hệ thống 2.3.1 Thí nghiệm vận hành đánh giá khả ổn định nhiệt độ, pH thời gian nuôi cấy theo mẻ - Sau tiệt trùng hệ thống đèn UV 30 phút, tiến hành thí nghiệm: - Thí nghiệm 1: Sử dụng giống vi khuẩn Bacillus cho vào hệ thống môi trường cao thịt peptone tiệt trùng điều chỉnh pH7 Gia nhiệt khoảng nhiệt độ 30 OC, 40OC, 50OC Mỗi khoảng nhiệt độ cài đặt 24 Đánh giá hiệu nuôi cấy thơng qua mật độ vi khuẩn - Thí nghiệm 2: Sử dụng giống vi khuẩn Bacillus cho vào hệ thống môi trường cao thịt peptone tiệt trùng Cài đặt nhiệt độ 30OC Điều chỉnh pH với giá trị pH 5, 6, 7, Mỗi khoảng pH ổn định 24h Đánh giá hiệu nuôi cấy thơng qua mật độ vi khuẩn - Thí nghiệm 3: Sử dụng giống vi khuẩn Bacillus cho vào hệ thống môi trường cao thịt peptone tiệt trùng Cài đặt nhiệt độ 30OC, pH 7, đánh giá hiệu nuôi cấy thông qua mật độ vi khuẩn vào thời điểm 24 giờ, 48 giờ, 72 96 Trong đó, Thí nghiệm đánh giá khả ổn định nhiệt độ gia nhiệt Thí nghiệm đánh giá khả ổn định pH đầu dò Thí nghiệm đánh giá ổn định hệ thống sau khoảng thời gian dài ni cấy Mỗi thí nghiệm lặp lại lần tiến hành hai mức thể tích lít lít nhằm đánh giá khả ổn định hệ thống tất vị trí bên lịng ngăn chứa dịch nuôi cấy Đồng thời kiểm tra khả pha trộn dung dịch hệ thống sục khí mức thể tích thấp cao 2.3.2 Thí nghiệm vận hành đánh giá khả ổn định hệ thống nuôi cấy liên tục - Sau tiệt trùng hệ thống đèn UV 30 phút, sử dụng giống vi khuẩn Bacillus cho vào hệ thống lít môi trường cao thịt peptone tiệt trùng Cài đặt nhiệt độ 30OC, pH Sau giờ, mở van xả thu nhận lít sản phẩm sau ni cấy đồng thời mở van nạp để bổ sung vào lít mơi trường Tiến hành lần Đánh giá hiệu thông qua mật độ vi khuẩn thu nhận sản phẩm 3.1 KẾT QUẢ Kết thiết kế hệ thống bioreactor Theo tính toán phần mềm thiết kế, để đạt thể tích mong muốn từ đến 10 lít tỷ lệ chiều cao đường kính thùng lên men hợp lý, hệ thống bioreactor lựa chọn thông số chiều dài 530cm, chiều rộng 280cm, chiều cao 700cm bao gồm ngăn nối liền với Ngăn tủ điện, nơi lưu thơng khí để tản nhiệt vào xung quanh thành ngăn Phía hệ thống điều khiển có hình thể ngày giờ, nhiệt độ, pH, công tắc đèn UV, van điều chỉnh lưu lượng khí Bộ phận gia nhiệt đặt bên quạt làm mát Ngăn nơi chứa dịch ni cấy, có ống dẫn khí, van xả bên dưới; van bổ sung dinh dưỡng bên hơng (hình 2) © 2019 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 226 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NUÔI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MƠI TRƯỜNG, ĐH CƠNG NGHIỆP TPHCM Hình Bản vẽ hệ thống bioreactor Đối tượng sử dụng hệ thống bioreactor chủng vi khuẩn hiếu khí Để đảm bảo q trình ni cấy thu nhận chủng vi khuẩn mục tiêu, hệ thống đèn UV bố trí nắp đậy ngăn 2, công tắc điều khiển ngăn Lựa chọn phương pháp gia nhiệt qua thành để giảm thiểu ảnh hưởng đến tế bào, nên phận gia nhiệt đặt bên ngăn 1, với hệ thống quạt làm mát, lưu thơng khơng khí để tản nhiệt vào ngăn Cảm biến nhiệt PT100 (dòng sản phẩm TF101U2) sử dụng hệ thống đầu dò chuyển đổi nhiệt độ khu vực đo thành tín hiệu điện đầu Đầu dị nhiệt độ có điện trở làm bạch kim (platinum) có độ xác cao, chịu áp lực, chống rung, thích hợp sử dụng dung dịch lỏng có khuấy trộn Bao bọc bên ngồi vỏ thép khơng rỉ V4A lớp bảo vệ IP66 Đối với pH, hệ thống dùng đầu dò hãng Atlas Scientific biên độ đo 0-14 đặt đáy ngăn Đầu dò bọc lớp màng mỏng thủy tinh cho phép ghi nhận khác biệt nồng độ ion H + bên màng Từ khác biệt đó, đầu dị xác định giá trị pH tương quan (Hình 3) Hình Cảm biến nhiệt độ đầu dò pH sử dụng hệ thống Với thể tích nhỏ nên hệ thống khơng sử dụng cánh khuấy mà tận dụng q trình sục khí để tạo dịng pha trộn dung dịch với tế bào nuôi cấy Ống sục khí đặt đáy ngăn có van điều chỉnh tốc độ sục khí Ngồi ra, cịn có van nạp để bổ sung nguyên liệu, dung dịch dinh dưỡng từ phía hơng van xả để lấy bớt sản phẩm sau ni cấy đặt phía ngăn Cả hai van thông trực tiếp vào dung dịch nuôi cấy bên ngăn 2, phục vụ cho q trình ni cấy theo mẻ mà khơng cần mở nắp ngăn (Hình 4) © 2019 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM 227 Để tăng thêm hiệu thuận tiện trình sử dụng, phần mềm Bioreactor HC-06 dùng điều khiển hệ thống thông qua kết nối bluetooth với điện thoại thơng minh Phần mềm có cài đặt chế độ tự động (AUTO) cho hệ thống chế độ điều khiển tay (MANUAL) Chế độ tự động cho phép cài đặt nhiệt độ thời gian Chế độ điều khiển tay cho phép cài đặt điều chỉnh thêm chức sục khí, quạt đèn UV (Hình 5) Hình Màn hình ứng dụng Bioreactor HC-06 © 2019 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 228 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM Các bước vận hành sau: Bước 1: Bật đèn UV 30 phút để khử trùng hệ thống Bước 2: Cho môi trường dinh dưỡng giống vi sinh vật Bước 3: Bật Bluetooth điện thoại  Chọn thiết bị kết nối “choose a devide”  chọn CONNECT (HC-06) Bước 4: Chọn chế độ AUTO MANUAL Bước 5: Cài nhiệt độ muốn nuôi cấy – set temperature Bước 6: Cài thời gian nuôi cấy – Alam Time (phút) Bước 7: Chạy mơ hình – RUN Hình Màn hình điều khiển hệ thống cài đặt Ưu điểm phần mềm Bioreactor HC-06 dễ dàng cài đặt tất điện thoại thông minh android, thao tác dễ sử dụng Tuy nhiên nhược điểm kết nối với hệ thống bioreactor thông qua Bluetooth Điều làm giới hạn khoảng cách kiểm soát cho người dùng 3.2 Kết đánh giá vận hành hệ thống 3.2.1 Kết thí nghiệm vận hành đánh giá khả ổn định nhiệt độ, pH thời gian nuôi cấy theo mẻ Mỗi tế bào vi sinh vật có khoảng nhiệt độ pH tối thích cho phát triển, vậy, hai thơng số cần ổn định xác suốt thời gian nuôi cấy [7] Đối với nuôi cấy vi khuẩn, thông thường nhiệt độ tối ưu từ 25 – 35OC Một số nhóm ưa nhiệt cần nhiệt độ cao từ 50 – 80OC [5] Hệ thống thiết kế theo phương pháp gia nhiệt qua thành nên thời gian để nhiệt độ phân tán cho tồn dung dịch mơi trường tương đối chậm Tuy nhiên, điều làm giảm tác động đột ngột nhiệt độ đến tế bào giúp cho phân tác nhiệt dung dịch đặn ổn định [6] Trong q trình ni cấy, giá trị pH theo dõi liên tục để giữ môi trường phạm vi tối ưu cho vi sinh vật phát triển Thông thường, pH tối ưu cho vi khuẩn hiếu khí 6-7, nhiên, giá trị pH thường giảm trình vi sinh vật phát triển Khi đó, dung dịch NaOH sử dụng để cân lại pH thiết lập ban đầu [7] Ở thí nghiệm 1, sinh khối thu nhận nhiệt độ 30OC cao nhất, trung bình 3,11x108 tế bào/ml thể tích ni cấy lít 3,45x108 tế bào/ml thể tích ni cấy lít Ở nhiệt độ 50 OC, sinh khối giảm đáng kể, 1,19 đến 1,22x108 tế bào/ml mức thể tích Ở thí nghiệm 2, sinh khối cao thu nhận pH 8,43 8,47x109 tế bào/ml mức thể tích tương ứng lít lít pH có lượng sinh khối thấp nhất, 1x109 tế bào/ml Ở hai thí nghiệm, kết thu khơng có khác biệt đáng kể hai mức thể tích lít lít (Hình 7) Tuy nhiên, q trình vận hành, nhận thấy mức thể tích lít, thời gian gia nhiệt hệ thống đến nhiệt độ cài đặt từ 10 đến 15 phút Ở mức thể tích lít, thời gian gia nhiệt từ 30 đến 40 phút Các mẫu dịch sau nuối cấy nhiệt 50OC pH 5, quan sát kính hiển vi quang học có xuất tế bào mang bào tử Bacillus Nhiều nghiên cứu sinh trưởng phát triển Bacillus cho thấy điều kiện nuôi cấy lỏng, vi khuẩn Bacillus tăng trưởng tối ưu nhiệt độ 37OC, pH 7, tốc độ phân chia tối đa Bacillus sau 40-50 phút Ở nhiệt độ cao, giá trị pH bất lợi, điều kiện dinh dưỡng thấp, Bacillus có khả tạo bào tử nên tồn dịch ni cấy khơng có gia tăng sinh khối [1,4,15] © 2019 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NUÔI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CƠNG NGHIỆP TPHCM 229 Ở thí nghiệm 3, kết hình cho thấy hai mức thể tích lít lít, đồ thị biểu diễn hàm lượng sinh khối Bacillus thu theo thứ tự giai đoạn nuôi cấy theo mẻ Với mật độ giống ban đầu 1,05x108 tế bào/ml, sau 24 giờ, mật độ tế bào đạt 3,59 đến 4,04x10 tế bào/ml, sau giảm dần qua 48 giờ, 72 96 Có thể xác định thời điểm 24h tế bào giai đoạn logarit có tốc độ phân chia nhanh Trong thời gian 96 cài đặt nhiệt độ 30OC, pH 7, gia nhiệt hoạt động ổn định, biên độ dao động khoảng 1OC Riêng giá trị pH có nhiều biến động, thời điểm 24 giờ, pH tăng đến 7,4, sau thời điểm 48 giờ, pH giảm cịn 6,5 Điều thay đổi sản phẩm chuyển hóa mà tế bào trao đổi với môi trường nuôi cấy 3.2.2 Kết vận hành đánh giá khả ổn định hệ thống nuôi cấy liên tục Đối với tất trình lên men, yêu cầu quan trọng phải đảm bảo cho tế bào tham gia đặt điều kiện lý hóa giống Các thông số nhiệt độ, pH, hàm lượng O2, CO2 hịa tan… thường kiểm sốt cách trực tiếp thông qua sensor đặt nồi lên men Các thông số hàm lượng enzyme, sinh khối, protein … kiểm soát giám tiếp cách lấy mẫu đem phân tích [8,9,13] Trong q trình ni cấy liên tục, tế bào khơng có pha suy vong mà trì pha cân Để trình thu nhận sản phầm sinh khối khơng làm thay đổi đột ngột trạng thái tế bào cần đảm bảo q trình nạp mơi trường dinh dưỡng vào trình rút dịch sản phẩm phải tương đương thể tích [11,14] Trong thiết kế hệ thống bioreactor, van nạp đặt bên hơng, phía van xả đặt bên ngăn Quá trình bổ sung tiến hành sau trình rút chiết Trong trình thực hiện, nhận thấy có dao động nhiệt độ pH bổ © 2019 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 230 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM sung môi trường dinh dưỡng Nhiệt độ giảm 2-5OCvà pH tăng 0,3-0,5 Bảng điều khiển hiển thị giá trị có thay đổi phần mềm bioreactor_HC06 điện thoại báo rung Hệ thống khoảng 3-5 phút cho việc điều chỉnh nhiệt độ pH quay lại giá trị cài đặt ban đầu Kết mật độ sinh khối lần bồ sung dinh dưỡng thứ vào thời điểm 10 cao (3,21x10 tế bào/ml), thấp vào thời điểm (2,11x108 tế bào/ml) Quan sát kính hiển vi, sản phẩm thu nhận sau thời điểm khơng có xuất bào tử vi khuẩn Bacillus Điều chứng tỏ tế bào giai đoạn tốt cho trình trao đổi chất [2,15] KẾT LUẬN Nhiệt độ pH hai thơng số quan trọng trước để kiểm sốt q trình ni cấy tế bào vi sinh vật Trong giới hạn nhiệt độ từ 30-50OC, giới hạn pH từ đến 8, hệ thống bioreactor cho thấy khả trì ổn định thơng số cài đặt suốt 96 nuôi cấy Với đối tượng thử nghiệm Bacillus, đại diện cho nhóm vi khuẩn hiếu khí sử dụng xử lý nước thải, q trình ni cấy liên tục theo mẻ hệ thống cho kết tốt, sinh khối thu mức 108 tế bào/ml Tốc độ gia nhiệt điều chỉnh pH dao động từ 15 đến 40 phút tùy vào thể tích dung dịch ni cấy, khả tự ổn định thông số cài đặt khoảng đến phút Mặc khác, việc sử dụng phương pháp gia nhiệt qua thành cho thấy hiệu tốt việc giảm tế bào chết tiếp xúc gần với vị trí gia nhiệt Bên cạnh hình hiển thị thông số, phần mềm Bioreactor HC06 dễ dàng cài đặt sử dụng điện thoại hỗ trợ cho q trình vận hành kiểm sốt hệ thống tốt Với thiết kế đơn giản bước đầu, hệ thống bioreactor cho thấy tiềm sử dụng đối tượng vi khuẩn hiếu khí với thể tích phù hợp cho nghiên cứu ứng dụng quy mô pilot Viện Khoa học công nghệ Quản lý mơi trường, Đại học Cơng nghiệp TpHCM Ngồi nhiệt độ pH, hệ thống cải tiến bổ sung đầu dị xác định thơng số khí hịa tan kiểm sốt lưu lượng khí nạp vào cách xác hơn, giúp cho q trình ni cấy đạt hiệu suất cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.D Warth, Relationship between the heat resistance of spores and the optimum and maximum growth temperatures of Bacillus Species Journal of Bacteriology, 134(3):699-705, 1978 [2] A.J Nair, Introduction to Biotechnology and Genetic Engineering, Chapter 18: Microbial culture and applications Infinity Science Press LLC, India, 657 – 668, 2008 [3] Anup Ashok, Kruthi Doriya, Devulapally Ram Mohan Rao, Devarai Santhosh Kumar, Design of solid state bioreactor for industrial applications: An overview to conventional bioreactors Biocatalysis Agricultural Biotechnology 9:11-18, 2017 [4] Caroline Choma Philippe Schmitt, Effect of temperature on growth characteristics of Bacillus International Journal Food Micriobiology 55:73-77, 2000 [5] D.H Bergey, Themophilic bacteria Journal of Bacteriology 4(4): 301-306, 1919 [6] Frederick K., Lingchong Y Carl L H., Long-term monitoring of bacteria undergoing programmed population control in a microchemoastat Science 309:137-140, 2005 [7] George Cătălin Marinescu Roua Gabriela Popescu, Open-Source bioreactor controller for bacterial protein expression PeerJ Preprints, 4: 1-27, 2018 [8] Hitesh Jagani, Karteek Hebbar, Sagar S Gang, P Vasanth Raj, Raghu Chandrashekhar H J.Venkata Rao, An Overview of Fermenter and the Design Considerations to Enhance Its Productivity Pharmacologyonline 1: 261-301, 2010 [9] Jagriti Singh, Nirmata Kaushik Soumitra Biswas, Bioreactors – Technology & Design Analysis The Scitech Journal, 1(6): 27 – 36, 2014 [10] Lương Đức Phẩm, Giáo trình Cơng nghệ lên men NXB Giáo dục VN, 2010 © 2019 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NI CẤY VI SINH VẬT TẠI VIỆN KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM 231 [11] Meyer H.P, Kappeli O Feichter A., Growth control in microbial cultures Annual Review of Microbiology, 39: 299-319, 1985 [12] Michel Musoni, Jacqueline Destain, Philippe Thonart, Jean-Baptiste Bahama Frank Delvigne, Bioreactor design and implementation strategies for the cultivation of filamentous fungi and the production of fungal metabolites: from traditional methods to engineered systems Biotechnol Agron Soc Environ, 19(4): 430442, 2015 [13] Nguyễn Hồng Lộc Giáo trình Công nghệ tế bào, Chương Thiết kế hệ thống lên men NXB ĐH Huế, trang 33-57, 2006 [14] Raina M Maier, Environmental Microbiology, Part I, chapter 3: Bacteria Growth Academic Press, Elsevier, 38-54, 2009 [15] S Quintavalla G Parolari, Effectf of temperature, aw and pH on the growth of Bacillus cell and spores: a response serface methodology stydy International Journal of food microbiology, 19:207-216, 1993 Ngày nhận bài: 30/08/2018 Ngày chấp nhận đăng: 05/12/2019 © 2019 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ... Minh 230 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NUÔI CẤY VI SINH VẬT TẠI VI? ??N KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM sung môi trường dinh dưỡng Nhiệt độ giảm 2-5OCvà pH tăng... thành ph? ?? Hồ Chí Minh THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NI CẤY VI SINH VẬT TẠI VI? ??N KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM 2.1 225 PH? ?ƠNG PH? ?P THÍ NGHIỆM Ph? ?ơng ph? ?p...224 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOREACTOR KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ VÀ pH TRONG NUÔI CẤY VI SINH VẬT TẠI VI? ??N KHCN&QL MÔI TRƯỜNG, ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM thước hệ thống quy mơ ph? ??ng thí nghiệm từ