, NO3− peptone các amino acid (sử dụng ở quy mô phòng thí nghiệm).
2. CÁC BƯỚC TRIỂN KHAI LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 1 Nhân giống vi sinh vật
2.3. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình lên men
2.3.1. pH
pH môi trường ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển và khả năng sinh tổng hợp của vi sinh vật, đó là do sự tác dụng trực tiếp của ion H+ hoặc ion OH− đến tính chất keo của tế bào, đến hoạt lực của các hệ enzyme và do tác dụng gián tiếp của pH môi trường đến tế bào. pH đầu tiên tác dụng đến sinh trưởng của vi sinh vật và tạo điều kiện thích hợp cho những giai đoạn đầu của quá trình đồng hoá, tích tụ những bán thành phẩm để tổng hợp những phân tử các hợp chất cần thiết. pH có thể làm thay đổi hẳn chiều hướng của các phản ứng, ví dụ: quá trình lên men rượu trong môi trường acid yếu (pH 4 – 5) tạo thành C2H5OH và CO2, nhưng trong môi trường kiềm lại tạo thành glycerine. Ngoài ra, trị số pH còn điều chỉnh mức độ phân ly các hợp chất của thành phần môi trường, do đó sự hấp thụ chúng vào tế bào cũng thay đổi.
Mỗi loài vi sinh vật có pH tối thích và pH cực tiểu, cực đại riêng. Nói chung vi khuẩn, xạ khuẩn, nguyên sinh động vật thích nghi ở pH 6,5 – 7,5. Nấm men và nấm mốc phát triển thích nghi ở pH 3 – 6. Nhiều vi sinh vật trong quá trình hoạt động sống
lại có khả năng tiết ra những chất làm thay đổi pH môi trường, làm cho pH môi trường từ không thích hợp chuyển sang thích hợp hoặc ngược lại. Ví dụ: vi khuẩn lactic lúc đầu tiến hành lên men đường tạo thành acid làm môi trường thay đổi từ pH 6 – 7 chuyển sang pH 5 thích hợp cho hoạt động sống của chúng. Sau đó vì acid quá nhiều pH giảm quá thấp làm vi khuẩn lactic phát triển ngày càng kém. Vì vậy, trong quá trình sản xuất phải luôn luôn theo dõi, kiểm tra và điều chỉnh pH thích hợp cho hoạt động của mỗi loài vi sinh vật.
2.3.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Mỗi loài vi sinh vật chỉ có khả năng hoạt động trong một giới hạn nhiệt độ nhất định, thường chia làm ba điểm: nhiệt độ cực tiểu, cực đại và tối thích. Theo quan hệ của vi sinh vật với nhiệt độ có thể chia làm ba loại: vi sinh vật ưa lạnh có nhiệt độ tối thích từ 5 – 150C, cực tiểu khoảng 00C, cực đại khoảng 15 – 200C. Vi sinh vật ưa ấm có nhiệt độ tối thích từ 20 – 370C, cực tiểu khoảng 100C, cực đại khoảng 40 – 500C, rất phổ biến như nấm mốc, nấm men.... Vi sinh vật ưa nóng có nhiệt độ tối thích từ 45 – 600
C, cực tiểu khoảng 300C, cực đại khoảng 70 – 800
C.
Nhiệt độ cao có ảnh hưởng rất mạnh và trực tiếp đến vi sinh vật, gây biến tính protein trong tế bào, do đó tế bào chất và enzyme bị đình chỉ hoạt động. Tính chịu nhiệt của các loài vi sinh vật rất khác nhau. Thường nấm men, nấm mốc chết khá nhanh ở nhiệt độ 50 – 600C. Một số vi khuẩn chịu nhiệt thì 80 – 900C mới bị tiêu diệt.
Nhiệt độ thấp không ảnh hưởng mạnh như nhiệt độ cao. Thường nhiệt độ thấp không thể tiêu diệt được vi sinh vật, chỉ gây ức chế mọi hoạt động sống của chúng. Điều này liên quan tới sự giảm năng lượng hoạt động của các chất trong tế bào, các phản ứng hoá sinh tiến hành khó khăn hơn.
Do đó đối với từng quá trình lên men cần phải khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng, phát triển và tốc độ tạo thành sản phẩm của vi sinh vật.
2.3.3. Oxygen
Dựa vào mối quan hệ với oxygen của không khí có thể chia vi sinh vật thành hai nhóm: hiếu khí và kỵ khí. Đối với vi sinh vật kỵ khí thì sự có mặt của oxygen không khí sẽ ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng, phát triển cũng như quá trình tích lũy sản phẩm.
Đối với vi sinh vật hiếu khí thì oxygen là một trong các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển cũng như quá trình trao đổi chất trong tế bào. Vi sinh vật chỉ sử dụng oxygen hoà tan trong môi trường lỏng. Lượng oxygen hoà tan trong nước thường rất ít. Tế bào sử dụng oxygen để hô hấp và làm giảm lượng oxygen trong môi trường. Vì vậy khi sử dụng vi sinh vật hiếu khí để lên men phải cung cấp oxygen một cách đều đặn, thiếu oxygen nhất thời tại một thời điểm nào đó trong môi trường sẽ làm phá vỡ sự trao đổi chất trong tế bào.
* Ảnh hưởng của oxygen đến sự sinh trưởng của vi sinh vật: nhu cầu oxygen trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau: trong thời kỳ đầu, sinh khối còn ít, tốc độ hoà tan oxygen lớn và thông khí mạnh là không cần thiết. Mức độ thông khí cần tăng dần theo sự tích luỹ sinh khối trong môi trường. Như vậy nhu cầu oxygen thay đổi
trong quá trình nuôi cấy liên quan với tốc độ sinh trưởng: đầu tiên nó tăng dần đến cực đại rồi lại giảm xuống, thường nhu cầu oxygen cực đại khi mức độ sinh trưởng của vi sinh vật còn chưa ngừng lại, nhưng tốc độ sinh trưởng đã bắt đầu giảm. Lúc này lượng oxygen hoà tan trong dịch nuôi cấy có thể giảm xuống tới số không. Ví dụ: trong sản xuất sinh khối nấm men Saccharomyces cerevisiae, hiệu suất tổng hợp sinh khối tăng dần khi mức thông khí là 0,5 – 1 milimol O2/lít/phút. Khi tăng tới 4 milimol O2/lít/phút thì sinh khối giảm chút ít, nhưng nếu tiếp tục tăng thông khí nữa thì sinh khối sẽ giảm nhiều hơn.
* Ảnh hưởng của oxygen đến quá trình trao đổi chất và tích lũy các sản phẩm sinh tổng hợp của vi sinh vật: sự ảnh hưởng này không giống nhau, phụ thuộc vào từng quá trình lên men. Ví dụ: khi nuôi cấy nấm men trong điều kiện kỵ khí sẽ xảy ra quá trình lên men rượu, khi cung cấp oxygen thì nấm men sẽ phát triển tăng sinh khối còn lên men rượu rất ít hoặc không lên men.
Tăng cường độ thông khí sẽ làm tăng tốc độ sinh trưởng và số lượng sinh khối, đồng thời làm khả năng tích luỹ các sản phẩm trao đổi chất trong tế bào như: các chất kháng sinh, vitamin, amino acid, enzyme, acid hữu cơ. Song không phải mọi trường hợp tăng cường độ hiếu khí đều dẫn đến việc làm tăng hiệu suất sinh tổng hợp mà nếu độ thông khí quá mức độ thích hợp thì hiệu suất sẽ giảm.
Đối với các quá trình lên men cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ thông khí đối với hiệu suất tạo thành sản phẩm. Trong công nghiệp vi sinh vật không khí được nén qua máy nén, qua hệ thống làm nguội, tách dầu nước, qua lọc để loại hết tạp khuẩn rồi thổi vào thùng lên men.
Ngoài ra còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình lên men như: nồng độ các chất dinh dưỡng trong môi trường, bản chất của môi trường, chủng giống vi sinh vật...
2.3.4. Độ ẩm
Thành phần nước chiếm từ 70 – 90% khối lượng cơ thể vi sinh vật , tất cả các quá trình phân hủy thức ăn và chuyển hóa các chất trong tế bào đều diễn ra với sự có mặt của nước. Thiếu nước, vi sinh vật không phát triển được và lúc này chỉ tồn tại ở dạng nghỉ hoặc bào tử.
Nuôi vi sinh vật trên môi trường rắn – xốp cần quan tâm đến lượng nước, thích hợp thường là 60 – 70%. Đặc biệt trong quá trình lên men xử lý rác thải, nhiệt độ ủ đống tăng lên, lượng nước bốc hơi nhanh dẫn đến tình trạng thiếu nước nên phải bổ sung nước sao cho vi sinh vật phát triển bình thường.