- Ảnh hƣởng của chiều cao tháp:
R6 Trở lực bên trong tế bào phụ thuộc đặc điểm sinh trƣởng của vi sinh vật Ngoài ra, cũng cần thêm vào tổng này những trở lực phụ nhƣ trở lực do vón cục
Ngoài ra, cũng cần thêm vào tổng này những trở lực phụ nhƣ trở lực do vón cục tế bào hay khuẩn ty, những trở lực hóa học do những phản ứng ezyme bên trong vi sinh vật. Qua đó, cho thấy trở lực R3 có tác dụng làm giảm tốc độ khuếch tán giữa các bọt khí và chất lỏng là quan trọng và lớn nhất. a d +e b c lớp gel lỏng
Hình 3.6. Mô tả quá trình vận chuyển oxy và cơ chất trong lên men hiếu khí
khí
Bề mặt phân chia pha
R1 R5 R6 R4 R3 R2 01 02
Hình 3.7. Mô tả trở lực khuếch tán của oxy và trở lực của khuẩn ty
Quá trình vận chuyển oxy từ pha khí đến màng vi sinh vật
Việc vận chuyển O2 từ pha khí qua pha lỏng đến các tế bào cũng đóng vai tró khá quan trọng. Vì O2 vừa là cơ chất vừa là nguồn cung cấp năng lƣợng cho vi sinh vật hoạt động. Tốc độ quá trình lên men và hiệu suất của fermentor trực tiếp phụ thuộc vào sự vận chuyển oxy đến tế bào vi sinh vật. Cơ chế quá trình vận chuyển O2 từ pha khí đến các tế bào vi sinh vật trong lớp gel bám trên đệm trơ trong các fermentor dạng ống là rất phức tạp, những giai đoạn cơ bản của quá trình đó nhƣ sau (hình 3.8).
- Oxy đƣợc hấp thụ vào pha lỏng: oxy từ pha khí vận chuyển qua màng khí đến
bề mặt phân chia pha khí lỏng. Sau đó, oxy đƣợc vận chuyển qua bề mặt phân chia pha rồi qua màng lỏng vào pha lỏng (xem hình 3.8).
- Oxy đƣợc khuếch tán trong pha lỏng
- Oxy hấp thụ vào lớp gel giữa các tế bào và di chuyển tới vùng phản ứng Các giai đoạn trên xảy ra nối tiếp nhau và mỗi giai đoạn sẽ gặp phải các trở lực tƣơng ứng cho nên giai đoạn nào chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của quá trình. Vì vậy, đối với lên men hiếu khí thì quá trình vận chuyển các chất đƣợc rút gọn về nghiên cứu quá trình vận chuyển oxy đến tế bào mà chủ yếu là vận chuyển trong pha lỏng.
oxy
oxy
tế bào vi sinh vật
oxy Pha lỏng
Bề mặt phân chia pha khí - lỏng
Bể mặt phân chia pha lỏng sinh khối Màng lỏng bao quanh sinh khối
Bề mặt vật liệu bám
Hình 3.8. Quá trình khuếch tán oxy đến màng vi khuẩn acid acetic trong fermentor
3.3.3 Mô hình động học sự phát triển của vi khuẩn trong màng sinh học Mô hình động học đối với một vi khuẩn acid acetic đơn lẻ Mô hình động học đối với một vi khuẩn acid acetic đơn lẻ
Các vi khuẩn dù có kích thƣớc và hình dạng khác nhau nhƣng có cùng cấu tạo là những tế bào sống. Cấu trúc tế bào và chiều hƣớng của các phản ứng sinh hóa xảy ra trong nó là quá phức tạp nên khó có thể đƣa ra những phân tích chi tiết cho các phản ứng này đƣợc. Để đơn giản hóa cho cấu trúc vật lý phức tạp này cần chấp nhận rằng: xem các vi sinh vật là tập hợp các nguyên tố (mà ở đó cơ chất đƣợc tiêu thụ do quá trình trao đổi chất) và những thành phần giới hạn của chúng mà cơ chất chuyển đến từ đó. Tế bào vi sinh vật theo chu vi lớp màng nhày (kể cả thành tế bào và màng nguyên sinh chất) đảm bảo tính chọn lọc của vi sinh vật và khống chế sự ra vào của cơ chất.
Sự chuyển động của các phân tử trong các lớp bề mặt đƣợc coi nhƣ là quá trình khuếch tán phân tử thông thƣờng và đƣợc miêu tả bằng định luật Fick:
RF = D(dC/dr) (3.1)
Trong đó: RF - vận tốc vận chuyển theo một đơn vị bề mặt thành phần tế bào tham gia vào vận chuyển chất; D - hệ số khuếch tán của cơ chất đƣợc vận chuyển;
dC/dr – gradien nồng độ.
Diễn biến của các phản ứng riêng biệt, bao gồm các quá trình trao đổi chất
đƣợc khống chế bởi các enzyme khác nhau và thƣờng tuân theo phƣơng trình Mekhaelis – Menten: r = r MAX [S] (3.2) Km + [S] a b 1 2 3 rm rm Rr C C* Rr rp
Hình 3.9. Mô tả một vi sinh vật đơn lẻ