Thiết kế mơi trường lên men là bước rất quan trọng quyết định sự thành cơng trong nuơi cấy vi sinh. Thành phần mơi trường nuơi cấy phải bảo đảm đủ lượng để phục vụ cho việc tăng sinh khối, tạo các chất trao đổi và cung cấp đủ năng lượng cho việc duy trì mật độ tế bào và sự sinh tổng hợp. Phương trình cân bằng vật chất trong quá trình lên men được mơ tả như sau:
[C và E] + [N] + O2 + Các yếu tố khác Sinh khối + Sản phẩm + CO2 + H2O + Nhiệt Thành phần mơi trường bao gồm các yếu tốđa lượng, trung lượng và vi lượng. - Yếu tốđa lượng bao gồm: Nguồn nước, nguồn carbon, nguồn nitơ.
- Yếu tố vi lượng bao gồm: Nguồn muối khống, nguồn vitamin, các chất hỗ trợ tăng trưởng, chất kiểm sốt …
Dựa vào thành phần và hàm lượng của các chất trong tế bào vi sinh vật để thiết kế đủ thành phần và lượng cần thiết nhằm thu nhận được sinh khối theo yêu cầu, bảo đảm sản xuất. Bảng 4.1 mơ tả một số thành phần căn bản của sinh khối các lồi vi sinh vật khác nhau, cho thấy carbon chiếm khoảng 50% trọng lượng khơ tế bào, và các nguyên tố C, O, N, H chiếm tổng cộng khoảng 92%.
Bảng 4. 1. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong tế bào vi sinh vật
Đơn vị: % theo trọng lượng khơ của tế bào.
Bảng 4. 2. Phân tích thành phần của một số chủng vi sinh vật. Chủng vi sinh vật Ngucarbon ồn Tốc độ tăng trưởng Thành phần Cơng thức ước định Trọng lượng phân tử C H N O Klibsiella
aerogenes Glycerol 0,1 50,6 7,3 13,0 29,0 CH1,74O0,43N0,22 23,7 Aerobacter
aerogenes Complex 48,7 7,3 13,9 21,1 CH1,78O0,33N0,24 22,5 Aerobacter
aerogenes Complex 0,9 50,1 7,3 14,0 28,7 CH1,73O0,24N0,43 24,0 Sacchromyces
cerevisiae 47,0 6,5 7,5 31,0 CH1,66O0,49N0,13 23,5
Các nguyên tố E.coli Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc
C 50 50-53 45-50 40-63 O 20 H 8 7 7 N 14 12-15 7,5-11 7-10 P 3 2-3 0,8-2,6 0,4-4,5 S 1 0,2-1,0 0,01-0,24 0,1-0,5 K 1 1-4,5 1,0-4,0 0,2-2,5 Na 1 0,5-1,0 0,01-0,1 0,02-2,5 Ca 0,5 0,01-1,1 0,1-0,3 0,1-1,4 Mg 0,5 0,1-0,5 0,1-0,5 0,1-0,5 Cl 0,5 0,5 - - Fe 0,2 0,02-0,2 0,01-0,5 0,1-0,2 Khác 0,3
Sacchromyces
cerevisiae 50,3 7,4 8,8 33,5 CH1,75O0,15N0,50 23,9 Candida utilis Glucose 0,45 46,9 7,2 10,9 35,0 CH1,84O0,56N0,20 25,6
Candida utilis Ethanol 0,43 47,2 7,3 11,0 34,6 CH1,84O0,55N0,20 25,5 Từ các kết quả phân tích thành phần tế bào ở Bảng 4.2 trên đây cho thấy, hàm lượng carbon thay đổi từ 46-50%, H từ 6-7%, N từ 8-14% và O từ 29-35%. Sự thay đổi này tùy thuộc vào cơ chất và điều kiện tăng trưởng. Trong tính tốn kỹ thuật, người ta sử dụng cơng thức chung của vi sinh vật là: CH1,8O0,5N0,2. Dựa trên cơng thức này, trọng lượng phân tử tế bào được xác định là: 24,6.
Ví dụ: Muốn sản xuất thu 10 g tế bào khi sử dụng glucose làm nguồn carbon thì lượng glucose tối thiểu cần thiết trong mơi trường phải là bao nhiêu?
Cơng thức ước định của tế bào: CH1,8O0,5N0,2 Glucose: C6H12O6: MW 180.
Số phân tử mol tế bào cần là: 10/24,6 Số mole glucose cần 1/6×10/24,6
Lượng glucose cần: 1/6×10/24,6×180 = 12,2 g.
Một số mơi trường thơng dụng:
1. Mơi trường sinh tổng hợp Amylase (Underkofler, 1966) Dịch thủy phân đậu nành 1,85%
Dịch chiết nấm men thủy phân 1,5% Dịch thủy phân casein 0,65% Lactose 4,75% MgSO4.7H2O 0,04% Chất phá bọt 0,05%
2. Mơi trường sản xuất glutamic acid (Gore et al., 1968) Dextrose 270g/L NH4H2PO4 2g/L (NH4)2HPO4 2g/L K2SO4 2g/L MgSO4.7H2O 0,5g/L MnSO4.H2O 0,04g/L FeSO4.7H2O 0,02g/L Polyglycol 2000 0,3g/L Biotin 12mg/L Penicillin 11mg/L
3. Mơi trường sản xuất Pennicillin (Perlan, 1970)
Glucose hoặc rỉđường (feed liên tục) 10% Dịch chiết bắp 4-5%
Phenylacetic acid 0,5- 0,8 % Lard oil (hoặc dầu thực vật) dùng làm chất phá bọt 0,5%
pH 6.5-7.5 (acid hoặc kiềm)
4. Mơi trường sản xuất Endotoxin từBaccillus thuringiensis (Holmberg et al., 1980) Rỉđường 0-4% Bột đậu nành 2-6% KH2PO4 0,5% K2HPO4 0,5% MgSO4 0,0005% MnSO4 0,003% FeSO4 0,001% CaCl2 0,005% Na(NH4)2PO4.4H2O 0,15%