Công nghệ lên men

I MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Lên men phương pháp dùng để chuyển hóa nguyên liệu để thu sản phẩm phục vụ cho đời sống người Ban đầu lên men dùng sản xuất loại thực phẩm rượu, giấm, sữa chua,… Cùng với phát triển khoa học ưu điểm vượt trội mình, lên men cịn dùng để sản xuất nhiều loại sản phẩm dịch vụ khác kháng sinh, hóa chất, xử lý nước thải Kỹ thuật lên men trở nên ngày phong phú nhiều mặt khác : nguyên liệu, sản phẩm, trang thiết bị Vì vậy, việc tìm hiểu nắm rõ kỹ thuật lên men, thay đổi trình sinh trưởng phát triển vi sinh vật điều cần thiết việc tạo sản phẩm ấy, đề tài nói rõ cụ thể vấn đề – Động học phát triển vi sinh vật công nghệ lên men 1.2 Mục đích yêu cầu 1.2.1 Mục đích - Hiểu tổng quát trình lên lên men; - Hiểu động học phát triển vi sinh vật qua hệ thống lên men điều kiện nuôi cấy 1.2.2 Yêu cầu - Nắm rõ kiến thức, bước trình lên men; - Hiểu rõ động lực phát triển vi sinh vật qua giai đoạn điều kiên nuôi cấy II NỘI DUNG 2.1 Giới thiệu chung công nghệ lên men động lực học phát triển vi sinh vật cơng nghệ lên men Lên men có vai trị quan trọng q trình lên men, từ khâu nguyên liệu việc hoàn thiện sản phẩm Tại diễn q trình sinh trưởng phát triển vi sinh vật mấu chốt trình lên men 2.1.1 Lên men a Khái niệm - Lên men (Fermentation) chuyển hóa cacbonhydrat vài hợp chất hữu khác (protein, lipid) thành chất tác dụng enzyme vi sinh vật tiết điều kiện vi hiếu khí (ít O 2) kị khí (khơng có O2) - Mục đích q trình lên men chuyển hóa chất môi trường dinh dưỡng thành sản phẩm cần thiết nhờ vi sinh vật b Phân loại - Dựa vào đặc điểm trình lên men:  Lên men theo mẻ  Lên men liên tục  Lên men có bổ sung chất  Lên men sử sụng vi sinh vật cố định - Dựa vào sản phẩm trình lên men:  Lên men rượu ethanol  Lên men acid lactic  Lên men propionic  Lên men butyric – aceton  Lên men acid acetic (giấm) … Hình 1: Một số sản phẩm trình lên men vi sinh vật 2.1.2 Q trình lên men Ngun liệu hóa,…) Xử lý ngun liệu (nghiền, đập, sàng, lọc, chà, hồ Cấy men Tách, chiết thu hồi sản phẩm Lên men Sản phẩm thơ Tinh chế, hồn thiện sản phẩm Thương mại hóa sản phẩm Để đạt sản phẩm có chất lượng tốt hay lượng vi sinh vật có sinh khối cao việc hiểu phát triển thay đổi sinh khối hay điều kiện môi trường diễn trình lên men việc vô cần thiết 2.2 Sinh trưởng vi sinh vật 2.2.1 Đường cong sinh trưởng phát triển vi sinh vật Sự sinh trưởng quần thể vi sinh vật nghiên cứu cách phân tích đường cong sinh trưởng môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo phương pháp nuôi cấy theo mẻ (batch culture) hệ thống kín Có nghĩa vi sinh vật nuôi cấy thiết bị kín, q trình ni cấy khơng thay đổi mơi trường thời gian ni cấy kéo dài nồng độ chất dinh dưỡng giảm sút, chất phế thải trao đổi chất tăng lên Nếu lấy thời gian ni cấy trục hồnh lấy số logarit số lượng tế bào sống làm trục tung vẽ đường cong sinh trưởng vi sinh vật sinh sản cách phân đơi Đường cong có giai đoạn (phases) khác Sinh trưởng biểu thị tăng trưởng thành phần tế bào Đối với vi sinh vật có hình thức sinh sản nẩy chồi hay phân đơi sinh trưởng dẫn tới gia tăng số lượng tế bào Tế bào tăng trưởng đến mức độ định phân cắt thành hai tế bào hệ có kích thước Đối với vi sinh vật đa nhân phân cách nhân khơng đồng hành với phân cắt tế bào - sinh trưởng làm tăng kích thước tế bào mà khơng làm tăng số lượng tế bào Vì vi sinh vật nhỏ bé đối tượng không thuận tiện để nghiên cứu sinh trưởng phát triển Chính mà nghiên cứu sinh trưởng, người ta thường xét đến biến đổi số lượng quần thể vi sinh vật Sự sinh trưởng quần thể vi sinh vật nghiên cứu cách phân tích đường cong sinh trưởng môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo phương pháp nuôi cấy theo mẻ (batch culture) hệ thống kín Có nghĩa vi sinh vật nuôi cấy thiết bị kín, q trình ni cấy khơng thay đổi môi trường thời gian nuôi cấy kéo dài nồng độ chất dinh dưỡng giảm sút, chất phế thải trao đổi chất tăng lên Nếu lấy thời gian ni cấy trục hồnh lấy số logarit số lượng tế bào sống làm trục tung vẽ đường cong sinh trưởng vi sinh vật sinh sản cách phân đơi Đường cong có giai đoạn (phases) khác Hình 1: Đường cong sinh trưởng hệ thống kín (Theo sách Prescott, Harley Klein) a Giai đoạn Tiềm phát (Lag phase) Khi cấy vi sinh vật vào môi trường số lượng thường khơng tăng lên ngay, giai đoạn Tiềm phát hay pha Lag Trong giai đoạn tế bào chưa phân cắt thể tích khối lượng tăng lên rõ rệt có tăng thành phần tế bào Nguyên nhân tế bào trạng thái già, thiếu hụt ATP, cofactor cần thiết ribosome Thành phần môi trường không giống môi trường cũ tế bào cần thời gian định để tổng hợp enzyme nhằm sử dụng chất dinh dưỡng Các tế bào bị thương tổn cần thời gian để hồi phục Bất kỳ nguyên nhân kết tế bào phải tự trang bị lại thành phần mình, tái tạo ADN bắt đầu tăng khối lượng Giai đoạn tiềm phát dài hay ngắn liên quan đến thân loại vi sinh vật tính chất mơi trường Nếu tính chất hóa học mơi trường sai khác nhiều với mơi trường cũ giai đoạn tiềm phát kéo dài Ngược lại, cấy từ giai đoạn logarit vào mơi trường có thành phần tương tự giai đoạn tiềm phát rút ngắn lại Nếu cấy vi sinh vật từ giai đoạn tiềm phát hay từ giai đoạn tử vong giai đoạn tiềm phát kéo dài b Giai đoạn logarit (Log Phase) hay Pha Chỉ số (Exponential Phase) Trong giai đoạn vi sinh vật sinh trưởng phân cắt với nhịp độ tối đa so với tính di truyền chúng gặp môi trường điều kiện nuôi cấy thích hợp Nhịp độ sinh trưởng chúng khơng thay đổi suốt giai đoạn này, tế bào phân đôi cách đặn Do tế bào sinh khác đường cong sinh trưởng đường trơn nhẵn không gấp khúc (hình 14.1) Quần thể tế bào giai đoạn có trạng thái hóa học sinh lý học việc nuôi cấy giai đoạn thường sử dụng để nghiên cứu sinh hóa học sinh lý học vi sinh vật Sinh trưởng logarit sinh trưởng đồng đều, tức thành phần tế bào tổng họp với tốc độ tương đối ổn định Nếu cân dinh dưỡng hay điều kiện môi trường thay đổi dẫn đến sinh trưởng không đồng Sự sinh trưởng nhịp độ tổng hợp thành phần tế bào tương đối biến hóa biến đổi theo đạt tới cân Phản ứng dễ quan sát thấy làm thực nghiệm chuyển tế bào từ môi trường nghèo dinh dưỡng sang môi trường giàu Tế bào trước hết phải tạo nên ribosome nâng cao lực tổng hợp protein, sau tăng cưởng tổng hợp protein ADN Cuối tất yếu dẫn đến tốc độ phát triển nhanh chóng Lúc chuyển quần thể tế bào từ mơi trường giàu dinh dưỡng tới mơi trường nghèo có kết sinh trưởng khơng đồng Vi sinh vật trước thu từ môi trường nhiều thành phần tế bào chuyển sang môi trường nghèo chúng cần có thời gian để tạo enzyme cần thiết để sinh tổng hợp thành phần khơng có sẵn mơi trường Sau tế bào phân cắt, ADN tái tạo, việc tổng hợp protein ARN chậm tế bào nhỏ lại tổ chức lại trao đổi chất chúng chúng sinh trưởng tiếp Sau sinh trưởng cân hồi phục trở lại giai đoạn logarit Các thí nghiệm cho thấy sinh trưởng vi sinh vật kiểm soát cách xác, phối hợp phản ứng nhanh chóng với biến đổi môi trường Khi sinh trưởng vi sinh vật bị hạn chế nồng độ thấp chất dinh dưỡng cần thiết sản lượng tế bào cuối tăng lên với tăng lên chất dinh dưỡng bị hạn chế (hình 2a) Đây sở để sử dụng vi sinh vật việc định lượng vitamin nhân tố sinh trưởng khác Tốc độ sinh trưởng tăng lên với tăng nồng độ chất dinh dưỡng (hình2b) Hình dáng đường cong phản ánh tốc độ hấp thu chất dinh dưỡng nhờ chuyển vận protein vi sinh vật Lúc nồng độ chất dinh dưỡng đủ cao hệ thống vận chuyển bão hòa tốc độ sinh trưởng không tăng lên với tăng lên nồng độ chất dinh dưỡng Hình 2: Nồng độ chất dinh dưỡng sinh trưởng (a )- Ảnh hưởng hạn chế chất dinh dưỡng sản lượng chung vi sinh vật Lúc nồng độ đủ cao sản lượng chung đạt tới ổn định (b)- Ảnh hưởng hạn chế chất dinh dưỡng tới tốc độ sinh trưởng c Giai đoạn Ổn định (Stationary Phase) hay Pha Cân Qua giai đoạn Logarit sinh trưởng quần thể cuối dừng lại, đường cong sinh trưởng ngang (hình 14.1) Nồng độ vi khuẩn giai đoạn ổn định thường vào khoảng 109/ml Với vi sinh vật khác thường không đạt đến nồng độ Với động vật nguyên sinh vi tảo thường đạt đến nồng độ 10 6/ml Đương nhiên, số lượng tế bào cuối định ảnh hưởng chung điều kiện dinh đưỡng, chủng loại vi sinh vật nhân tố khác Trong giai đoạn số lượng tế bào sống khơng thay đổi, số lượng tế bào sinh cân với số lượng tế bào chết đi, tế bào ngừng phân cắt mà giữ ngun hoạt tính trao đổi chất Có nhiều nguyên nhân làm cho quần thể vi sinh vật chuyển sang giai đoạn ổn định Trong nguyên nhân chủ yếu hạn chế chất dinh dưỡng Nếu chất dinh dưỡng thiết yếu bị thiếu hụt nghiêm trọng sinh trưởng chậm lại Vi sinh vật hiếu khí thường bị hạn chế nồng độ oxygen Oxygen thường hịa tan nước, O2 nội mơi trường nhanh chóng bị tiêu thụ hết, có vi sinh vật sinh trưởng bề mặt mơi trường có đủ nồng độ O2 để sinh trưởng Vì ni cấy vi sinh vật phải sử dụng tới máy lắc hay biện pháp thơng khí khác Quần thể vi sinh vật bị đình sinh trưởng gặp tích lũy sản phẩm trao đổi chất có hại Một số vi sinh vật kỵ khí (như Streptococcus) lên men đường làm sản sinh lượng lớn acid lactic hay acid hữu khác, làm acid hóa mơi trường ức chế sinh trưởng vi sinh vật Đồng thời tiêu hao hết đường làm cho tế bào vào giai đoạn ổn định Sau là, số chứng cho thấy số lượng vi sinh vật đạt đến giới hạn định sinh trưởng bị đình Sự sinh trưởng vi sinh vật chuyển sang giai đoạn ổn định kết chung nhiều nhân tố khác Như chúng ta.đã thấy vi khuẩn nuôi cấy theo mẻ chuyển sang giai đoạn ổn định thiếu thức ăn Trong tự nhiên, nhiều mơi trường có nồng độ chấ dinh dưỡng thấp nên vi sinh vật thường chuyển sang giai đoạn ổn định Đối với vi khuẩn việc chuyển sang giai đoạn ổn định loại thích ứng tốt Nhiều loại vi khuẩn khơng có biến hóa rõ rệt hình thái (như hình thành bào tử nội sinh-endospore) chúng thu nhỏ kích thước lại, thường chất nguyên sinh co lại nhân giả (nucleoid) đậm đặc lại Một biến đổi quan trọng là, thiếu thức ăn vi khuẩn sinh loại protein đói (starvation proteins) làm cho tế bào đề kháng nhiều với thương tổn nhiều đường khác Chúng làm tăng liên kết peptidoglycan bền vững thành tế bào Chẳng hạn Dps (DNA-binding protein from starved cells), loại protein kết hợp với ADN lấy từ tế bào đói, bảo vệ cho ADN Phân tử Chaperones cản trở biến tính protein hồi phục lại protein bị tổn thương Vì việc nhiều chế khác mà tế bào đói khó bị chết đề kháng với tình trạng bị đói, với biến hóa nhiệt độ, tổn thương ơxy hóa thẩm thấu, tăng sức đề kháng với hóa chất có hại (như chlorine chẳng hạn) Những cải biến có hiệu làm cho số vi khuẩn sống lại sau vài năm bị đói Rõ ràng việc hiểu rõ vấn đề có tầm quan trọng thực tiễn to lớn y học vi sinh vật học công nghiệp Chúng cịn chứng minh vi khuẩn thương hàn (Salmonella typhimurium) nhiều vi khuẩn gây bệnh khác có khả gây bệnh mạnh bị đói d Giai đoạn tử vong (Death Phase) Việc tiêu hao chất dinh dưỡng việc tích lũy chất thải độc hại làm tổn thất đến môi trường sống vi sinh vật, làm cho số lượng tế bào sống giảm xuống Đó đặc điểm giai đoạn tử vong Giống giai đoạn logarit, tử vong quần thể vi sinh vật có tính logarit (tỷ lệ tế bào chết không đổi) Tổng số tế bào sống tế bào chết khơng thay đổi tế bào chết chưa bị phân hủy Muốn xác định số lượng tế bào sống phải pha loãng cấy lên thạch đĩa đưa vào điều kiện thích hợp để xác định số khuẩn lạc xuất Mặc dù phần lớn vi sinh vật tử vong theo phương thức logarit sau số lượng tế bào giảm xuống tốc độ chết tế bào chậm lại Đó số cá thể sống lại nhờ có tính đề kháng đặc biệt mạnh Vì điều nguyên nhân khác làm cho đường cong giai đoạn tử vong phức tạp 2.2.2 Đường cong sinh trưởng, phát triển kép Hiện tượng sinh trưởng kép thường gặp nuôi cấy vi khuẩn môi trường chứa nguồn carbon gồm hỗn hợp hai chất hữu khác Khi sinh trưởng tế bào đồng hóa trước tiên nguồn carbon mà chúng “ưa thích” Đồng thời chất thứ kìm hãm enzyme cần cho việc đồng hóa chất thứ hai Chỉ sau nguồn carbon thứ cạn nguồn carbon thứ hai cảm ứng tổng hợp nên enzyme cần việc chuyển hóa Hiện tượng sinh trưởng kép khơng hạn chế nguồn carbon lượng mà thấy nguồn nitơ photpho Chẳng hạn Aerobacter aerogenes sử dụng nguồn nitơ amino acid, muối ammon nitrate Nếu cấy chuyển vi khuẩn từ môi trường nước thịt sang môi trường chứa muối ammon nitrate pha lag biểu Nếu từ môi trường nước thịt sang môi trường chứa hỗn hợp hai loại muối thấy có tượng sinh trưởng kép Các ion NH4+ đồng hoá trước đồng thời kiềm chế việc tổng hợp cảm ứng enzyme nitrate - reductase Chỉ sau hết muối ammon mơi trường muối nitrate sử dụng Sinh trưởng kép tượng phổ biến giải thích chế kiềm chế nói chung đặc biệt hiệu ứng glucose Đặc trưng tượng sinh trưởng kép đường cong sinh trưởng gồm hai pha lag hai pha log Sau kết thúc pha log thứ tế bào lại mở đầu pha lag thứ hai tiếp tục pha log thứ hai 10 tinh cao Do có chất bổ sung nên q trình lên men có pha log pha tĩnh kéo dài so với lên men theo mẻ Lên men theo mẻ phù hợp cho lên men sản phẩm thứ cấp khả tạo thành sản phẩm lớn nồng độ chất thấp - Có cách bổ sung chất :  Bổ sung từ từ chất dinh dưỡng làm tăng thể tích dịch ni cấy, phương pháp sử dụng sản xuất men bánh mì  Bổ sung mơi trường vào bioreacter, đồng thời rút thể tích dịch ni cấy ( không chứa tế bào) tương ứng, phương pháp sử dụng phương pháp nuôi cấy tế bào động vật - Tác dụng việc bổ sung chất  Để tạo tăng trưởng vi sinh vật  Để tạo sản phẩm  Để trì hoạt tính vi sinh vật “Qua kết thí nghiệm, chúng tơi thấy rằng, việc sục khí 12h lên men bổ sung ammonium sulphate ảnh hưởng lớn đến động học trình sử dụng chất nấm men Hàm lượng đường khử giảm nhanh so với mẫu đối chứng Điều giải thích giai đoạn đầu q trình lên men, việc bổ sung khí O2 hay ammonium sulphate vào dịch nha cho nấm men hoạt động tốt hơn, tốc độ sử dụng chất nhanh Theo lý thuyết, lượng chất nấm men sử dụng để thực trình trao đổi chất trao đổi chất, chất phục vụ cho phát triển sinh khối tạo sản phẩm lên men etanol, CO2, … 21 Khi đạt đến giai đoạn ổn định, tốc độ sử dụng chất trường hợp mà khảo sát Kết khảo sát cho thấy rằng, giai đoạn cuối q trình lên men, hàm lượng đường sót trường hợp sục khí hay bổ sung ammonium sulphate thấp so với mẫu đối chứng Qua đó, kết luận có bổ sung hàm lượng oxy trong giai đoạn đầu trình lên men bổ sung ammonium sulphate tang khả sử dụng chất nấm men, rút ngắn thời gian lên men Kết cho phép làm tang suất nhà máy Chúng tiến hành khảo sát biến đổi hàm lượng chất khơ dịch nha q trình lên men, kết có hồn tồn phù hợp với kết khảo sát với đường khử Mẫu bia non bổ sung ammonium sulphate vào thời điểm cuối trình lên men có nồng độ đường sót thấp Như vậy, việc bổ sung thêm amonisulphate vào dịch nha xem giải pháp thích hợp để rút ngắn thời gian lên men kỹ thuật lên men bia nồng độ cao.” ( Trích Tạp chí phát triển KH & CN, tập 9, số – 2006 ) Vì vậy, cần nắm nắm bắt, theo dõi thường xuyên để bổ sung, cung cấp đầy đủ dưỡng chất cho vi sinh vật để đạt hiệu cao 2.7 Động học phát triển vi sinh vật lên men sử dụng vi sinh vật cố định a Sơ lược kĩ thuật cố định tế bào Kỹ thuật cố định tế bào định nghĩa là: “ Kỹ thuật bao bọc định vị tế bào nguyên vẹn lên vùng “ vùng không gian định” nhằm bảo vệ hoạt tính xúc tác mong muốn.” Cố định thường bắt chước tượng xảy tự nhiên tế bào phát triển bề mặt bên cấu trúc nguyên liệu có tự nhiên 22 "Cố định" vi sinh vật giữ chúng vị trí định cách bao bọc, gắn chất mang, hay biện pháp khác Ta cần lưu ý q trình cố định khơng làm suy giảm hoạt tính chúng Khi lên men vi sinh vật cố định, sản phẩm thô thu sau lên men thường dạng hòa tan hay dạng lỏng nên lên men phương pháp này, việc phân riêng sản phẩm thô dễ dàng, thuận tiện hơn.Việc thực lên men liên tục dễ dàng cách đáng kể, dòng sản phẩm khơng có vi sinh vật nên việc xử lý đơn giản nhiều Có thể nâng cao mật độ vi sinh vật thiết bị lên men, qua nâng cao suất thiết bị Thời gian sử dụng vi sinh vật dài sử dụng lại nhiều lần, điều giúp khối lượng công việc nhân giống vi sinh vật giảm nhẹ Do ưu điểm mà phương pháp nghiên cứu sử dụng ngày rộng rãi Khơng riêng vi sinh vật, số enzym sử dụng cơng nghiệp dạng cố định Ngồi ra, sử dụng vi sinh vật cố định để lên men, ta cần lưu ý số điều Các phương tiện dùng để cố định vi sinh vật vỏ bọc, giá mang, làm tăng trở lực truyền chất, cường độ truyền chất giảm nên suất riêng giảm (năng suất riêng : lượng sản phẩm tạo đơn vị khối lượng sinh khối) Khuyết điểm khắc phục phần ta tăng hàm lượng chất dưỡng chất, chi phí cho thành phần lại tăng lên đặt số vấn đề xử lý sau lên men.Việc theo dõi điều khiển vi môi trường (vùng gần bề mặt vi sinh vật) khó khăn b Một số tính chất nấm men cố định  Sự thay đổi sinh trưởng, hình thái tế bào: Như biết, trình sinh trưởng vi sinh vật nói chung nấm men nói riêng phụ thuộc nhiều vào điều kiện mơi trường quanh Khi cố định tế bào, tương tác tế bào – chất mang tế bào với mà khả sinh trưởng hình thái có vài biến đổi 23 Theo số tác giả, khả sinh trưởng nấm men cố định so với nấm men tự Nhiều nghiên cứu cho thấy nấm men cố định sinh trưởng đạt đến số lượng tế bào không đổi giữ nguyên kết thúc q trình lên men Bên cạnh Melzoch cộng ( 1994 ), thấy 80% tế bào cố định gel alginate trì hoạt tính trao đổi chất khả phát triển nuôi cấy thời gian dài Saccharomyces cervisiae cố định gel alginate trì khả sử dụng đường chúng mức độ tương đốicao ổn định, giảm khoảng 20 % sau 1122 nuôi cấy  Sự thay đổi hoạt động trao đổi chất tế bào Nhiều nghiên cứu cho thấy nấm men cố định có tốc độ sử dụng glucose, tốc độ sinh tổng hợp etanol glycerol cao nhiều so với nấm men tự diện tích bề mặt tế bào nấm men cố định dung để vận chuyển dinh dưỡng không nhỏ so với nấm men tự Kết nghiên cứu Lê Văn Việt Mẫn Bùi Thanh Huyền (2008), trình lên men cồn sử dụng nấm men cố định canxi alginate cho thấy nấm men cố định có tốc độ sử dụng đường tốc độ sinh tổng hợp Etanol cao hẳn nấm tự  Những khả khả chống lại yếu tố bất lợi môi trường Lượng chất cao lượng sản phẩm cao ức chế hoạt động sống nấm men Tuy nhiên, so với nấm men tự khả chịu ức chế chất sản phẩm cao 24 c Các phương pháp cố định vi sinh vật Để cố định vi sinh vật, ta có phương pháp hấp phụ bề mặt, giữ lưới, bọc vỏ kết tụ Cũng có trường hợp, người ta sử dụng phối hợp phương pháp để thu kết mong muốn  Hấp phụ bề mặt Trong phương pháp này, vi sinh vật giữ bề mặt giá thể loại lực khác liên kết ion, liên kết cộng hóa trị (Hình 4) Hình 8: Hấp phụ vi sinh vật bề mặt giá thể Vi sinh vật hấp phụ bề mặt thành lớp (Hình 8a) hay nhiều lớp (Hình 8b) Trong trường hợp hấp phụ nhiều lớp, vi sinh vật hình thành màng sinh học bề mặt giá thể - Lực liên kết vi sinh vật bề mặt giá thể Lực liên kết vi sinh vật bề mặt giá thể đóng vai trị quan trọng hoạt động trình lên men Nếu lực không đủ mạnh, vi sinh vật chuyển vào môi trường lên men, ưu điểm cố định khơng cịn Ta tăng cướng lực liên kết biện pháp sau :  Tăng cường khả bám dính giá thể cách sử dụng oxit kim loại, glutaraldehit, amminosilan, 25  Tạo nhấp nhô tế vi bề mặt để tăng diện tích tiếp xúc vi sinh vật giá thể  Sử dụng chủng vi sinh vật có chế "cảm ứng bề mặt" : vi sinh vật tiếp xúc với bề mặt, chúng tiết chất có khả bám dính cao để giữ chúng dính chặt lên bề mặt - Bề mặt hấp phụ Để sử dụng thuận tiện, người ta thường dùng giá thể hạt nhỏ polyme, bên có cấu trúc xốp (Hình 5) Nhờ diện tích bề mặt riêng giá thể lớn, hấp phụ lượng đáng kể vi sinh vật kích thước nhỏ Hình 9: Bề mặt hấp phụ  Giữ lưới 26 Hình 10: Giữ vi sinh vậttrong mạng lưới Vi sinh vật giữ mạng lưới có cấu trúc gel Mạng lưới gel hình thành chuỗi cao phân tử Các chuỗi cao phân tử kết lưới với nhờ loại liên kết ion, cộng hóa trị - Các chất tạo gel Hiện nay, vật liệu dùng để tạo mạng lưới gel cố định vi sinh vật thuộc hai nhóm :  Polysaccarit : nhóm vật liệu truyền thống để tạo gel, nhóm phổ biến alginat, carrageenan, carboxymethyl cellulose (CMC), chitosan  Polyme tổng hợp polyamit, polyacrylat - Sự hình thành mạng lưới gel 27 Hình 11: Tạo hạt gel Nguyên lý hình thành mạng lưới gel có dạng hạt minh họa Hình Hỗn hợp G gồm chất tạo gel dạng lỏng vi sinh vật đặt ống nhỏ giọt vào dung dịch D Mạng lưới gel hình thành dung dịch này, đồng thời xảy cố định vi sinh vật Để tăng cường trình tạo gel ta đưa vào dung dịch D chất xúc tiến Ta đưa vào dung dịch D chất làm tăng độ bền gel, muối Ca Để tăng độ bền hạt gel, ta bọc lớp vỏ mỏng hợp chất silic lên bề mặt hạt gel Muốn vậy, ta đặt dung dịch chứa hợp chất ống S bọc ống G Khi giọt gel rơi khỏi ống G lượng dung dịch hơp chất silic phủ ngồi giọt gel hình thành lớp vỏ bao bọc hạt gel Các hạt gel hình cầu thường có đường kính khoảng đến mm  Bọc vỏ 28 Hình 12: Vỏ bọc vi sinh vật Trong phương pháp cố định này, vi sinh vật bọc vỏ xốp có ống mao dẫn nhỏ để dẫn chất, dưỡng chất sản phẩm Vi sinh vật di chuyển bên vỏ Hình dáng lớp vỏ đa dạng : hình cầu, hình sợi, hai mặt phẳng song song, hai mặt trụ đồng trục,… (Hình 8) Kích thước vỏ khác biệt đáng kể Có số trường hợp kích thước vỏ cỡ μm (vi nang) - Vật liệu làm vỏ bọc Do lớp vỏ bọc cần phải xốp bền giống loại màng lọc, nên vỏ chế tạo từ số vật liệu dùng làm màng lọc Một số vật liệu thường dùng polypropylen (PP), polysulfon, polyvinyl clorua (PVC), silicon cacbit, sứ Trong trường hợp vi nang, vật liệu phổ biết alginat  Kết tụ 29 Hình 13: Kết tụ vi sinh vật  Để cố định vi sinh vật phương pháp kết tụ, lực liên kết tạo vi sinh vật để giữ chúng lại với (Hình 8) Để tăng cường lực liên kết này, người ta sử dụng thêm glutaraldehit, toluen diisocyanat, hexamethylen diisocyanat,  Kết tụ vi sinh vật thường dùng phối hợp với phương pháp cố định khác  Lên men với vi sinh vật cố định - Ta sử dụng vi sinh vật cố định để tiến hành lên men theo phương pháp sau :  Sử dụng thiết bị lên men thông thường thùng lên men có cấu khuấy (Hình 14a)  Chất đầy vi sinh vật cố định cột cho dịch lên men chảy qua (Hình 9b) Phương pháp thường áp dụng cho lên men liên tục  Sử dụng thiết bị tầng sôi : dịch lên men bơm đưa vào thùng từ lên với tốc độ cao nên giá thể có chuyển động chất lỏng sơi (Hình 14c)  Cho dịch lên men chảy qua cố định vi sinh vật (Hình 9d) Phương pháp thường áp dụng cho lên men liên tục 30 Hình 14: Lên men với vi sinh vật cố định 2.8 So sánh phương pháp lên men Phương pháp Mẻ Ưu điểm Nhược điểm - Đảm bảo tốc độ sinh trưởng - Trong suốt thời gian lên men cực đại đặc trưng mẻ, sản lượng nhiệt, sản xuất - Thích hợp sản xuất kiềm acid, tiêu thụ sản phẩm vi sinh thu sản phẩm oxygen biến thiên từ tốc lần (không yêu cầu lượng độ thấp lúc bắt đầu tới sinh khối vi sinh lớn) tốc độ cao suốt pha log muộn Vì vậy, điều chỉnh mơi trường hệ thống khó nhiều so với Liên trình liên tục - Đối với sản xuất sinh khối ưu - Nhược điểm thường xuyên tục điểm kỹ thuật có khả hệ thống ni cấy liên tục điều chỉnh để cải thiện mẫn cảm chúng với trình lên men Do đó,ở trạng nhiễm bẩn thể bên 31 thái ổn định tốc độ sản xuất Ngăn cản nhiễm bẩn tiêu thụ số vấn đề hàng đầu thiết kế - Lượng sản phẩm lấy hệ lên men, xây dựng vận liên tục tế bào quay hành, phải khắc phục vòng liên tục đảm bảo công nghệ tốt suẩt thu hồi cao - Việc ứng dụng nuôi cấy liên tục để sản xuất sản phẩm sinh tổng hợp vi sinh vật gặp nhiều hạn chế Mặc dù, lý thuyết có khả tối ưu hệ thống liên tục để tăng hiệu suất trao đổi chất, nhiên khả ổn định thời gian dài hệ thống khó khăn thối hóa chủng vi Bổ sinh vật - Ưu điểm cung cấp - Vẫn giữ số nhược điểm sung thành phần môi trường vào lên men theo mẻ tế bào phải chất ni cấy chất dinh dưỡng có khởi động batch,sinh thể trì nồng độ trưởng phải đạt tới nồng độ tế thấp suốt trình lên bào xác định bắt đầu vận men Nồng độ chất dinh dưỡng hành thấp thuận lợi để: + Duy trì điều kiện nuôi cấy phạm vi khả thơng khí hệ lên men + Loại bỏ ảnh hưởng khắc 32 nghiệt thành phần môi trường, ví dụ sử dụng nhanh nguồn N,P,C + Tránh hiệu độc thành phần môi trường + Cung cấp mức độ giới hạn chất dinh dưỡng cần thiết Sử cho chủng dị dưỡng - Việc phân riêng sản phẩm thô dụng vi dễ dàng, thuận tiện sinh vật - Nâng cao mật độ vi sinh vật cố định - Chi phí phương pháp thực khó - Kiểm sốt theo dõi thiết bị lên men môi trường thường xuyên - Thời gian sử dụng vi sinh vật liên tục dài 33 III KẾT LUẬN Qua trình tìm hiểu đánh giá, thành viên nhóm hiểu thấy rõ ưu nhược điểm, khả thích ứng hay đặc điểm cửa phương pháp Bài tiểu luận trải nghiệm kinh nghiệm quý giá cách làm việc tìm hiểu mang lại lượng kiến thức vô lớn công nghệ lên men đặc biệt “ Động học phát triển vi sinh vật công nghệ lên men.” Tuy nhiên, phương pháp lên men có đặc điểm riêng, phù hợp với loại sản phẩm, tùy vào mục đích doanh nghiệp Ngày nay, quy mô công nghiệp phương pháp lên men liên tục phương pháp công ty sử sụng nhiều nhất, phù hợp với điều kiện nhân lực nước 34 IV TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: 1) GS.TS Nguyễn Thị Hiền (2012) (chủ biên), “Công nghệ sản xuất enzym, protein ứng dụng” ; NXB Giáo dục Việt Nam 2) PGS TS Ngơ Xn Mạnh (chủ biên)(2013), “Giáo trình Công nghệ sinh học thực phẩm” , NXB Đại Học Nông nghiệp Hà Nội 3) PGS.TS Lương Đức Phẩm (2012) “Giáo trình Cơng nghệ lên men” , NXB Giáo dục Việt Nam Tài liệu internet: 4) Lê Văn Việt Mẫn (2006), Khảo sát số yếu tố công nghệ đến q trình lên men bia nồng độ cao Tạp chí phát triển KH & CN http://www.vnulib.edu.vn:8000/dspace/bitstream/123456789/1825/1/sede v0406-08.pdf truy cập 11: 30 ngày 20/02/2016 35 ... sung chất  Lên men sử sụng vi sinh vật cố định - Dựa vào sản phẩm trình lên men:  Lên men rượu ethanol  Lên men acid lactic  Lên men propionic  Lên men butyric – aceton  Lên men acid acetic... triển vi sinh vật lên men có bổ sung chất Để nâng cao suất mẻ lên men người ta bổ sung chất vào trình lên men Đây hệ thống trung gian lên men theo mẻ lên men liên tục Trong trình lên men chất dinh...II NỘI DUNG 2.1 Giới thiệu chung công nghệ lên men động lực học phát triển vi sinh vật cơng nghệ lên men Lên men có vai trị quan trọng q trình lên men, từ khâu nguyên liệu việc hoàn thiện