2. LÊN MEN:
2.2.3.Các phương pháp khác:
2.2.3.1. Lên men liên tục:
Bên cạnh quá trình lên men tĩnh hay lên men tĩnh có bổ sung cơ chất truyền thống, có nhiều quy trình sản xuất khác có thể tạo ra canh trường vi khuẩn có nồng ựộ cao. Vắ dụ, Doleyres và cộng sự (2004) nhận xét rằng quá trình lên men liên tục cũng có nhiều tiềm năng. Công nghệ này có thể tạo ra lượng sinh khối lớn và giảm bớt các quá trình sau lên men ựể làm giàu sản phẩm (Doyleyres và cộng sự, 2002). Tuy nhiên, nguy cơ nhiễm tăng cao hơn khi áp dụng công nghệ này vào quy mô công nghiệp (Lacroix và Yildirim, 2007). Taniguchi và cộng sự (1987) cho thấy nồng ựộ LAB cao gấp 7 lần khi sử dụng thiết bị sinh học có membrane trong quá trình lên men. Thiết bị này có bộ phận nhập môi trường sạch trong khi vi khuẩn ựược giữ trong thiết bị bởi membrane siêu lọc hay vi lọc. Do ựó, bất cứ chất trao ựổi nào ảnh hưởng xấu tới sự sinh trưởng của vi khuẩn ựều ựược loại bỏ. Corre và cộng sự (1992) cũng cho rằng lượng tế bào khi sử dụng thiết bị phản ứng có membrane cao hơn khi lên men tự do. Schiraldi và cộng sự (2003) cho rằng nồng ựộ tế bào và các sản phẩm trao ựổi chất cũng xảy ra trong thiết bị phản ứng có membrane tương tự.
2.2.3.2. Kỹ thuật cố ựịnh tế bào: 2.2.3.2.1.Kỹ thuật cố ựịnh tế bào:
Nhiều phương pháp khác nhau ựã ựược sử dụng ựể cố ựịnh tế bào vi khuẩn acid lactic (Bảng 14): ựánh bẫy vật lý trong mạng lưới polymer, nối hay hấp phụ lên trên chất mang chuẩn bị trước, ựánh bẫy bằng membrane hay sử dụng vi bao. Tất cả những kỹ thuật trên ựều có chung một mục ựắch ựó là: hoặc là ựể duy trì nồng ựộ cao của tế bào bên trong thiết bị lên men hoặc ựể bảo vệ tế bào khỏi các yếu tố bất lợi của môi trường). đối với ngành công nghiệp sữa, vật liệu làm chất mang có yêu cầu là không ựộc, dễ tìm kiếm (có sẵn) và giá thành có thể chấp nhận ựược. Nhờ các chất mang này mà có thể tạo ra ựược nồng ựộ tế bào cao và cải thiện ựược tắnh sống sót của chúng.
68
Hình 13: đánh bẫy với mạng lưới polymer
đối với những ứng dụng trong thực phẩm, kỹ thuật cố ựịnh tế bào phổ biến nhất là ựánh bẫy tế bào bên trong mạng lưới polymer với các lỗ rỗng nhỏ. Trong nhiều ứng dụng, những giọt nhỏ polymer ựược kiểm soát về kắch thước ựược sản xuất sử dụng kỹ thuật ựùn và nhũ hóa dưới ựiều kiện ôn hòa. Sự gel hóa do nhiệt (к-carrageenan, gellan, agarose, gelatin) và nhiệt ion (ionotropic) (alginate, chitosan) của những giọt nhỏ ựược sử dụng ựể sản xuất các chất xúc tác sinh học dạng gel hình cầu. Những polymer này rất phổ biến và sử dụng rộng rãi như chất phụ gia trong ngành công nghiệp sữa. Sự ựánh bẫy trên gel là một phương pháp tương ựối ựơn giản, nó tạo ra các hạt cầu với ựường kắnh khoảng 0.3 Ờ 3 mm với nồng ựộ sinh khối cao. Tuy nhiên, các loại gel polysaccharide hay protein thường bị giới hạn về tắnh bền cơ học ựối với trường hợp thời kì lên men kéo dài. Một sự chọn lựa cẩn thận thành phần của polymer là rất cần thiết, nó tùy thuộc vào ựiều kiện lên men. đối với những ứng dụng trong ngành sữa sử dụng LAB, các nhà nghiên cứu ựã chỉ ra rằng hỗn hợp gel của к- carrageenan và gum locust bean (LBG) thể hiện ựược tắnh bền cơ tốt trong suốt quá trình lên men liên tục trong sữa hay whey trong vòng hơn 7 tuần. Tuy nhiên, quy mô sản xuất rộng các hạt polymer dưới ựiều kiện vô trùng vẫn còn tồn tại một số vấn ựề ựể ựược ứng dụng vào cố ựịnh tế bào trong công nghiệp thục phẩm.
Hấp phụ vào một chất mang ựã hình thành trước:
Cố ựịnh tế bào bằng cách kết dắnh hay hấp phụ lên một chất mang ựã tạo từ trước là dựa vào ái lực của bề mặt chất rắn trong suốt quá trình sinh trưởng và ựược thực hiện bằng cách giữ mối liên kết giữa chất mang và các tế bào sinh trưởng mạnh trong khoảng thời gian xác ựịnh. Kỹ thuật này mô phỏng thực tế diễn ra trong tự nhiên, nơi mà các tế bào vi sinh vật thường bám lên trên các bề mặt và các màng sinh học (biofilm). Vì chất mang là những chất trơ và thường không chứa thêm các hóa chất khác nên cần thực hiện quá trình cố ựịnh tế bào dưới ựiều kiện rất ôn hòa ựể giữ ựược tỷ lệ sống sót của tế bào ựược cao. Những mẫu nhỏ chất rắn có thể chống lại ựược sự nén và sự phân hủy nhưng lại cho tỷ trọng tế bào cố ựịnh thấp hơn so với các mẫu nhỏ gel. Tuy nhiên, chỉ có một vài chất mang dạng rắn ựược sử dụng trong quá trình chế biến thực phẩm và cần phải lựa chọn vật liệu làm chất mang thắch hợp với quá trình lên men thực phẩm. Bergmaier và cộng sự ựã công bố hiệu quả của quá trình cố ựịnh tế bào Lactobacillus rhamnosus RW 9595M vào cao su silicon có những lỗ xốp. Kết
quả là thu ựượcnồng ựộ sinh khối sống sót rất cao khoảng 8.5ừ1011cfu/ml. Tuy nhiên, chất mang này ựắt và việc sử dụng nó có thể chỉ ựược ựảm bảo thực hiện ựược ựối với các sản phẩm giá trị gia tăng cao và sử dụng lâu dài chất mang này. Những chất mang ựã ựược tạo ra từ trước ựược kiểm tra với vi khuẩn LAB ựược liệt kê trong Bảng 14.
70
đánh bẫy membrane
Trong thiết bị lên men membrane, các tế bào không ựược cố ựịnh trong mạng lưới lỗ xốp nhưng ựược giữ lại trên hàng rào membrane bán thấm. Thiết bị lên men sợi- rỗng (Hollow-fiber bioreactor) với các tế bào một mặt ựược giữ lại trên những sợi rỗng và mặt còn lại là các thành phần môi trường hòa tan, ựã ựạt ựược những thành công trong ứng dụng sản xuất acid lactic và trong một vài trường hợp, ựã tạo ra một sản lượng, thể tắch lớn. Tuy nhiên, ứng dụng của thiết bị lên men membrane bị giới hạn bởi chi phắ ựầu tư cao, sự bảo trì phức tạp của thiết bị tinh vi và sự tắc nghẽn của membrane, ựặc biệt với whey permeate ựã cho kết quả là giảm nhanh hiệu quả của quá trình.
Thiết bị lên men Hollow-fiber bioreator:
− Hệ thống sợi-rỗng (hollow-fiber) có thể ựược sản xuất từ cellulose acetate với một mạng lưới có thành ựồng dạng (uniform wall matrix) hoặc từ ựồng polymer acrylic hoặc các sợi polysulphone với ựặc ựiểm thành không ựối xứng. Hệ thống sợi-rỗng này có thành với bề mặt gồm nhiều lỗ xốp, dày khoảng 70 m và tế bào sẽ phát triển trên nó. Nó còn có một lumen hình trụ với ựường kắnh khoảng 200 m. Bề mặt của lumen ựược bao phủ bởimột lớp màng siêu lọc mỏng, nhờ ựó mà nó có thể phân riêng những tế bào ựược cố ựịnh và lumen. Sự khuếch tán tự do của các ion và phân tử xảy ra qua màng siêu lọc; màng siêu lọc có thể có giới hạn về trọng lượng phân tử trong khoảng 10kDa Ờ 100kDa (rất nhỏ).
− Một thiết bị lên men membrane bao gồm một bó hình trụ các sợi riêng lẻ với số lượng lớn, ựược mắc vào một cái hộp (shell) và thiết bị trao ựổi nhiệt dạng ống. Các ựơn vị thiết bị lên men hollow-fiber trong thực tế có bề mặt lõm với diện tắch từ 0.01 Ờ 0.02 m2.
− điểm thuận lợi của việc sử dụng thiết bị lên men hollow-fiber cho hệ vi sinh vật bao gồm: sự sinh trưởng của tế bào với tỷ trọng cao, sử dụng hệ thống rắc (perfusion
system) ựể phân riêng ựồng thời sản phẩm và sinh khối, và sự tái sinh chất xúc tác sinh
học. Tuy nhiên, bất lợi chắnh ựó là khó khăn trong việc kiểm soát và ựiều khiển sự sinh trưởng và trao ựổi chất của canh trường. Những hạn chế khác với thiết bị lên men vi sinh vật hollow-fiber là tốc ựộ trao ựổi oxy thấp tại vùng có tỷ trọng tế bào cao và vùng bao vây xung quanh, và sự tắc nghẽn của membrane do sự sinh trưởng vi sinh vật quá nhiều. Sự tắch lũy các sản phẩm ựộc trong các sợi rỗng có thể cũng ức chế hoạt tắnh trao ựổi chất của hệ thống tế bào.
2.2.3.2.2.Một số dạng thiết bị lên men cố ựịnh tế bào: Các loại thiết bị lên men cố ựịnh tế bào:
Mục tiêu chắnh của việc cố ựịnh là ựể tăng năng suất của thiết bị lên men với tắnh bền vững của tế bào ựược cải thiện, sử dụng cơ chất một cách tốt hơn và các quá trình hậu lên men ựược tiến hành dễ dàng.
Việc cố ựịnh cũng chú ý ựến ựiều khiển liên tục và những cấu hình của thiết bị phản ứng thay thế. Năng suất theo thể tắch của bình lên men cố ựịnh tế bào (lượng sản phẩm tạo thành trên một ựơn vị thể tắch và thời gian) tăng lên mạnh. Tuy nhiên, chi phắ cho
kỹ thuật cố ựịnh tế bào rất cao, do ựó không thể áp dung ựể sản xuất ra những sản phẩm có giá trị gia tăng thấp. Kỹ thuật cố ựịnh tế bào có liên quan chặt chẽ với cấu hình của bình len men và sự lựa chọn tốt hệ thống phản ứng rất cần thiết nhằm lên men hiệu quả. Việc lựa chọn thiết bị lên men là tùy thuộc vào loại của cố ựịnh tế bào, sự trao ựổi chất của tế bào, yêu cầu về truyền khối và truyền nhiệt. Vắ dụ, dựa vào sự chống lại của mạng lưới ựối với stress biến dạng trượt (shear stress), kắch cỡ của những hạt cố ựịnh (có ảnh hưởng ựến ựặc tắnh truyền khối) hay nhu cầu vận chuyển oxy của tế bào ựể xác ựịnh loại bình lên men.
Những dạng thiết bị lên men sử dụng cố ựịnh tế bào ựược trình bày ở những hình minh họa dưới ựây.
Mặc dù ựối với mỗi loại hệ thống tế bào cố ựịnh, có rất nhiều loại thiết bị ựể lựa chọn, nhưng ựể ựạt ựược hiệu quả cao ựòi hỏi phải có sự tương thắch giữa phương pháp cố ựịnh tế bào và cấu hình của thiết bị lên men. Dạng hệ thống cố ựịnh tế bào và lựa chọn ựiều kiện cho thiết bị lên men cần phải luôn ựi ựôi với nhau.
Một thuận lợi của thiết bị lên men sử dụng cố ựịnh tế bào là thời gian lên men nhanh hơn so với lên men tế bào tự do. Những ựặc ựiểm tốt (ựã ựược chứng minh) của hệ thống lên men với tế bào cố ựinh ựã ựược ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm và ựồ uống nhẹ.
Hình 15: Thiết bị phản ứng tank khuấy ựảo (Stirred tank reactor)
A: Simple tank reactor B: Draft tube reactor
72
Hình 16: Thiết bị phản ứng dạng nhồi và bản (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
A: Packed bed
B: Packed bed with external aeration C: Sheet reactor with external circulation D: Sheet reactor with internal ciculation.
Hình 17: Thiết bị phản ứng (lên men) tầng sôi (fluidized bed)
A: không có ống hút (tháo) B: ựược vuốt thon lại
C: Có ống hút (tháo)-draft tube D: có tầng tuần hoàn.
74
Hình 18: Thiết bị phản ứng (lên men) với Ộcột bong bóngỢ và tuần hoàn nâng khắ
(Bubble column and air/gas lift loop reactors) A: Bubble column
B: Air/gas lift loop reactor
C: Air/gas lift loop with particle separator D: Packed bed air/gas lift loop reactor.
Hình 19: Thiết bị phản ứng mambrane và bình lên men xoay (rotorfermentor)
A: Hollow-Fiber Reactor
B: Spiral-wound flat sheet reactor C: Rotofermentor
76
Hình 20: Bộ ựóng ngắt xoay sinh học (Rotating biological contactor)
A: Rotating disc reactor B: Rotating cyclinder reactor
Vi bao:
Một vi bao bao gồm một màng bán thấm, membane hình cầu, mỏng và chắc chắn bao quanh nhân lỏng, với ựường kắnh thay ựổi từ vài micrometter ựến 1mm. Những vật liệu khác nhau ựược sử dụng cho vi bao LAB và canh trường probiotic (Bảng 15), mặc dù nhiều kĩ thuật dạng này không nằm trong sự giới hạn nghiêm ngặt của vi bao nhưng chúng dựa vào kỹ thuật ựánh bẫy gel. Một thử thách quan trọng của việc bao tế bào là kắch thước lớn của tế bào vi sinh vật (1 Ờ 4ộm) hoặc những mẫu nhỏ của canh trường sấy lạnh ựông (hơn 100m). đặc ựiểm này ựã giới hạn sự nạp tải tế bào ựối với các bao nhỏ hoặc khi những bao có kắch thước lớn hơn ựược tạo ra, có thể ảnh hưởng tiêu cực ựến tắnh chất cấu trúc và cảm quan của thực phẩm khi chúng ựược thêm vào. Trong hầu hết các trường hợp, ựánh bẫy gel sử dụng polymer sinh học tự nhiên chẳng hạn như calcium alginate, к-carrageenan và gum gellan ựã ựược sự chấp thuận của các nhà nghiên cứu. Tuy thế, mặc dù có những hứa hẹn trong quy mô phòng thắ nghiệm, nhiều kỹ thuật ựược phát triển ựể sản xuất ra các hạt gel vẫn ựang gặp phải những khó khăn lớn ựối với quá trình sản xuất ở quy mô thực phẩm (vi bao vi sinh vật ở cấp ựộ thực phẩm): lượng sản xuất thấp và ựường kắnh của hạt lớn, ựối với phương pháp dùng các giọt nhỏ; di chuyển khỏi các dung môi hữu cơ và ựộ phân tán với kắch thước lớn trong kỹ thuật nhũ hóa; khó khăn ựể duy trì sự vô trùng trong quá trình thực hiện.
Bảng 15: Vi bao có tiềm năng sử sụng trong ngành công nghiệp sữa.
Ngoài ra, bao phủ dạng phun (spray-coating) canh trường khô lạnh với chất béo sữa cũng ựược sử dụng ựể bảo vệ vi khuẩn chống lại oxy.