, NO3− peptone các amino acid (sử dụng ở quy mô phòng thí nghiệm).
2.2.2.Động học sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men * Sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men gián đoạn
2. CÁC BƯỚC TRIỂN KHAI LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 1 Nhân giống vi sinh vật
2.2.2.Động học sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men * Sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men gián đoạn
* Sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men gián đoạn
Lên men gián đoạn là các quá trình lên men được tiến hành theo từng mẻ tách biệt nhau. Quá trình này bắt đầu kể từ khi cấy giống vi sinh vật vào trong dịch lên men và có thể vận hành theo các phương án là trong môi trường chỉ chứa một nguồn thức ăn hoặc cũng có thể gồm nhiều nguồn thức ăn khác nhau. Đồng thời, trong thời gian lên men, ngoài việc cung cấp liên tục oxy cho các quá trình lên men hiếu khí, có thể tồn tại hai khả năng là không bổ sung thêm các cấu tử dinh dưỡng hoặc có thể bổ sung một hoặc một vài cấu tử nhất định nào đó vào môi trường.
Trong trường hợp môi trường chỉ chứa một nguồn thức ăn và không bổ sung thêm vào trong suốt thời gian lên men, sự phát triển của vi sinh vật trong môi trường có thể chia làm 4 giai đoạn là giai đoạn thích ứng, giai đoạn phát triển lũy tiến, giai đoạn cân bằng và giai đoạn chết dần.
Giai đoạn thích ứng là thời kỳ đầu của quá trình lên men, lúc vi sinh vật vừa được cấy vào môi trường, do điều kiện sống thay đổi nên chúng cần có một khoảng thời gian nhất định để điều chỉnh hoạt động sống cho thích nghi với môi trường mới. Trong giai đoạn này, cường độ trao đổi chất của vi sinh vật sẽ tăng dần và vi sinh vật sẽ tăng dần về kích thước, song gần như các tế bào chưa tham gia vào quá trình sinh sản. Vì vậy số lượng tế bào trong canh trường ít biến đổi, nồng độ chất dinh dưỡng giảm nhẹ và sản phẩm trao đổi chất mới được tích tụ trong môi trường rất thấp.
Giai đoạn phát triển lũy tiến được bắt đầu khi vi sinh vật đã thích nghi với môi trường mới. Do đó, trong giai đoạn này cường độ trao đổi chất của vi sinh vật xảy ra mạnh mẽ. Hoạt động trao đổi chất cao đã trở thành nguồn cung cấp năng lượng và vật liệu cấu trúc cho quá trình sinh trưởng và phát triển mạnh mẽ của chúng. Kết quả làm cho mật độ tế bào trong môi trường tăng nhanh theo quy luật hàm logarithm, nồng độ dinh dưỡng giảm nhanh, nồng độ các sản phẩm trao đổi chất sơ cấp cũng tăng nhanh. Vào cuối giai đoạn này do ảnh hưởng của nồng độ thức ăn giảm, sự ức chế ngày càng tăng của các sản phẩm trao đổi chất, tốc độ sinh trưởng và phát triển sẽ giảm dần và quá trình chuyển sang giai đoạn cân bằng.
Giai đoạn cân bằng là khoảng thời gian lên men mà mật độ tế bào vi sinh vật trong canh trường hầu như không biến đổi, nguyên nhân của hiện tượng này do nguồn thức ăn trong môi trường đã cạn và sự ức chế của các sản phẩm trao đổi chất đủ lớn, làm cho số lượng các tế bào mới sinh ra dần cân bằng với số tế bào già chết đi. Khi trong môi trường thức ăn đã cạn kiệt, quá trình lên men sẽ chuyển sang giai đoạn chết dần. Nguyên nhân do ảnh hưởng của nguồn thức ăn bị cạn kiệt và sự ức chế mạnh mẽ của các sản phẩm trao đổi chất, dẫn đến hầu như không có tế bào mới sinh ra mà chỉ có tế bào chết đi làm cho mật độ tế bào giảm dần.
Trong trường hợp có hai nguồn thức ăn khác nhau, vi sinh vật thường có xu hướng ưu tiên hấp thụ nguồn thức ăn dễ đồng hóa trước. Khi nguồn thức ăn này cạn kiệt, vi sinh vật mới điều chỉnh hướng trao đổi chất để sử dụng cơ chất khó đồng hóa hơn, làm xuất hiện thêm các giai đoạn thích nghi với nguồn thức ăn sau. Hiệu ứng này có thể xuất hiện khi lên men có bổ sung định kỳ thêm thức ăn, nếu việc bổ sung gây ra sự biến đổi đáng kể về thành phần môi trường.
Trong thực tế sản xuất, giai đoạn thích ứng hầu như không tạo ra sản phẩm công nghệ song lại kéo dài thời gian lên men, làm giảm hiệu quả khai thác năng lực thiết bị và tiềm ẩn rủi ro nhiễm tạp. Vì vậy nếu không có yêu cầu công nghệ riêng, trong công nghệ lên men cần cố gắng làm giảm hiệu ứng không mong muốn này.
* Sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men liên tục
Lên men liên tục là quá trình lên men vận hành liên tục theo thời gian, bằng cách người ta liên tục bổ sung thêm môi trường lên men mới đồng thời lấy ra khỏi thùng lên
Hình 4.2. Đặc điểm động học môi trường lên men gián đoạn
men lượng tương đương để duy trì mức thể tích dịch lên men cân bằng ổn định trong thiết bị. Để thiết lập chế độ lên men liên tục, đầu tiên hệ thống được cấp nguồn dinh dưỡng, cấy giống và vận hành như giai đoạn đầu lên men gián đoạn. Khi chủng vi sinh vật phát triển đến giai đoạn mong muốn và các thông số công nghệ đạt giá trị tương ứng thì người ta bắt đầu bổ sung môi trường mới. Trong lúc bổ sung sẽ điều chỉnh dần tốc độ để xác lập các chế độ lên men. Đến khi các thông số này đạt giá trị cần thiết thì dừng lại và kiểm soát duy trì ổn định động các giá trị này cho đến khi kết thúc. Như vậy, tốc độ bổ sung môi trường là thông số công nghệ có ảnh hưởng lớn và quyết định chế độ làm việc trong thiết bị. Tác động của thông số này được biểu thị qua độ pha loãng k, là tỷ lệ giữa thể tích môi trường bổ sung với thể tích dịch lên men. Động học sự phát triển của vi sinh vật theo sự biến thiên của độ pha loãng có thể chia làm 3 giai đoạn: vùng cân bằng động, vùng bất ổn định và vùng rửa trôi.
+ Vùng cân bằng động: thời kỳ đầu trong quá trình vận hành, giống vi sinh vật được cấy vào sẽ phát triển đạt đến giá trị xác lập dự kiến nhất định, tương ứng với điểm đầu của độ pha loãng k = 0. Khi độ pha loãng tăng dần, sẽ cung cấp thêm nguồn thức ăn (từ môi trường mới bổ sung vào) và làm giảm nồng độ các sản phẩm trao đổi chất. Hiệu ứng này tạo điều kiện thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, làm cho tốc độ sinh trưởng và phát triển của chúng cũng tăng dần theo. Lượng các tế bào mới sinh ra trong thời kỳ đầu sẽ đủ bù lại lượng sinh khối mất đi khi lấy dịch lên men ra. Như vậy, khi hệ số k càng tăng thì tốc độ sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong môi trường lên men cũng tăng theo. Kết quả, trong một khoảng biến đổi nhất định của độ pha loãng trong thời gian đầu, mật độ tế bào vi sinh vật và nồng độ cơ chất
Hình 4.3. Đặc điểm động học môi trường lên men liên tục
trong dịch lên men được duy trì ở trạng thái cân bằng động, không phụ thuộc vào sự biến thiên của độ pha loãng.
+ Vùng bất ổn định: tuy nhiên, tốc độ sinh sản của vi sinh vật trong môi trường lên men chỉ có thể tăng đến một giới hạn nhất định, phụ thuộc vào chu kỳ tế bào của từng chủng. Nghĩa là, đến một khoảng giá trị nhất định của độ pha loãng, số lượng tế bào mới sinh sẽ đạt giá trị cực đại. Kể từ đó, nếu độ pha loãng tiếp tục tăng làm cho lượng sinh khối tháo ra khỏi thùng lên men cũng tăng theo, vượt quá khả năng bù đắp của số tế bào mới sinh ra, làm cho mật độ tế bào trong dịch lên men giảm theo. Lượng vi sinh vật trong môi trường giảm đi sẽ không đủ để hấp thu và chuyển hóa hết nguồn dinh dưỡng, làm cho nồng độ cơ chất tăng dần và nồng độ sản phẩm trao đổi chất cũng giảm dần. Kết quả là, trong vùng biến đổi nhất định của độ pha loãng, sự thay đổi giá trị độ pha loãng sẽ gây ra sự biến đổi kéo theo của nhiều thông số công nghệ như: mật độ tế bào, nồng độ thức ăn chưa chuyển hóa, nồng độ sản phẩm tạo thành. Miền biến đổi này của độ pha loãng được gọi là vùng bất ổn định của hệ thống và vùng này kéo dài cho đến khi mật độ tế bào vi sinh vật trong dịch lên men vẫn còn đủ để hệ thống phục hồi trở lại trạng thái cân bằng động khi giá trị độ pha loãng k giảm đi.
+ Vùng rửa trôi: nếu độ pha loãng tiếp tục tăng sẽ làm cho thời gian lưu của dịch trong thiết bị tiếp tục giảm dần, tới giá trị nhỏ hơn chu kỳ tế bào của vi sinh vật. Kết quả lượng dịch mới bổ sung gần như chảy nhanh qua thiết bị lên men và dần kéo hết lượng vi sinh vật trong môi trường, gây ra hiện tượng rửa trôi. Từ vùng động học này, dù có giảm độ pha loãng k cũng không thể xác lập sớm lại trạng thái cân bằng động cho hệ thống, do lượng vi sinh vật còn sót lại trong môi trường còn quá nhỏ. Vì vậy, trong công nghệ lên men liên tục vào giờ người ta cũng triển khai các giải pháp công nghệ phụ trợ nhằm bảo vệ hệ thống để không xảy ra hiện tượng rửa trôi.