- Ảnh hƣởng của chiều cao tháp:
03. Tế bào của vi sinh vật
TRÌNH LÊN MEN ACID ACETIC
3.3.1 Sự hình thành và phát triển của màng sinh học trên chất mang trong fermentor sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic fermentor sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic
Trạng thái vi khuẩn acid acetic trong fermentor
Trong fermentor sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic, các vi khuẩn giấm tham gia vào quá trình biến đổi sinh hóa có dạng màng bám trên bề mặt các vật rắn trơ. Trong các thiết bị dạng ống màng sinh học bám trên bề mặt các vật rắn trơ có thể tồn tại hai trạng thái: cố định (tĩnh) hay linh động (các vật rắn trơ có màng sinh học bao phủ lơ lững trong môi trƣờng lên men).
Cấu tạo màng vi khuẩn acid acetic
Màng vi khuẩn giấm đƣợc tạo thành nhờ các biến đổi sinh hóa diễn ra trong các thiết bị và bám đƣợc vào vật chất là nhờ khả năng bám dính của màng nhày (khối gel giữa các tế bào, hình 3.5) của vi khuẩn.
Môi trƣờng trong giai đoạn cấy giống chứa các tế bào
vi khuẩn giấm lơ lững, các tế bào này sẽ bám vào bề mặt nhám của vật liệu bám (do độ nhám, độ xốp). Sau một thời gian nhất định sẽ trở nên hoạt động sinh học.
Sự phát triển của màng vi khuẩn acid acetic
Sự tạo thành màng vi khuẩn sẽ kèm theo sự hoạt động của thiết bị. Mức độ hoạt động sẽ phụ thuộc vào diện tích bề mặt che phủ, bề dày màng và nồng độ rƣợu. Sự phát triển của màng vi khuẩn giấm, khi giữ nguyên các thông số đầu vào làm cho sự biến đổi nồng độ acid thu đƣợc phụ thuộc vào thời gian (phụ thuộc vào vận tốc phản ứng và bề dày màng). Nếu sau một thời gian tích lũy nhất định bề dày màng không thay đổi nữa thì ta có thể coi các thông số đầu ra đạt đƣợc trạng thái ổn định. Điều này có thể đạt đƣợc khi tải trọng của vi khuẩn giấm đối với không gian tự do trên một đơn vị thể tích đệm là nhỏ. Khi đó dạng hình học của màng thay đổi không đáng kể.
Hình 3.5. Biểu diễn màng sinh học bám trên vật rắn trơ
01. Bề mặt bám
02. Khối gel giữa các tế bào bào
03. Tế bào của vi sinh vật vật
01 02
Trong thực tế, tùy theo cách nuôi màng, nồng độ các sản phẩm dạng khí khi hô hấp trong chiều sâu nhỏ của màng tăng đến mức các sản phẩm này thoát ra từ dung dịch và tạo thành những túi khí. Khí này sẽ làm cho sự bám dính giữa khối màng và bề mặt bám sẽ kém đi, cuối cùng màng sẽ rơi ra khỏi bề mặt bám dƣới tác dụng của trọng lực và còn lại một lớp vi khuẩn giấm đã bị yếu đi nhiều.
Sau đó lớp màng lại bắt đầu tăng, tuy nhiên không thể nào tạo bề dày màng nhƣ ban đầu vì lực bám dính giữa màng và bề mặt bám đã bị yếu do các vi khuẩn chết trong màng. Do đó hình dạng hình học của màng biến đổi liên tục dƣới tác động của quá trình phát triển vi sinh vật và sự thoát đi một phần vi khuẩn ra khỏi bề mặt bám dƣới tác dụng của lực trọng trƣờng, kết quả là đƣờng đi của dòng lỏng và bề mặt tiếp xúc pha rắn lỏng biến đổi.
Về nguyên tắc trong môi trƣờng có nồng độ rƣợu đủ cao, màng vi khuẩn sẽ phát triển không ngừng. Nếu tốc độ tăng của bề dày màng không lớn lắm thì ở một thời điểm bất kỳ sẽ đƣợc xem gần giống nhƣ trong lớp vi sinh vật có bề dày không đổi. Khi đó, có thể miêu tả cặn kẽ sự biến đổi bề dày màng và quá trình làm việc của thiết bị nhờ phƣơng trình vận tốc sinh học.
Các thiết bị có bề dày màng không đổi (có thể khống chế đƣợc) đƣợc sử dụng làm thiết bị thực nghiệm để nghiên cứu động học vi sinh. Các thiết bị có bề dày màng thay đổi đƣợc dùng trong xử lý nƣớc thải và sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh. Trong các thiết bị dạng không khống chế đƣợc bề dày màng, quần thể vi sinh vật lộn xộn ở mức độ cao và ở những thời điểm khác nhau là khác nhau, chất lỏng chảy qua thiết bị ở dạng màng dƣới tác dụng của lực trọng trƣờng.
Thông thƣờng diện tích màng lỏng thấm ƣớt nhỏ hơn nhiều so với diện tích hoạt động sinh học có thể đạt cực đại. Sự phát triển của vi khuẩn acid acetic chỉ diễn ra ở những vùng có đủ chất dinh dƣỡng. Sự phát triển của màng ngay trong những vùng này chỉ đƣợc tạo ra do sự chuyển động của lỏng. Do đó, trong thiết bị dạng này có quan hệ tƣơng hỗ phức tạp giữa động học vi sinh, bề dày màng sinh học và bề dày đƣợc thấm ƣớt.
3.3.2 Quá trình khuếch tán các chất trong thiết bị lên men acid acetic dạng màng sinh học cố định. màng sinh học cố định.
Khái niệm
Mọi phản ứng sinh hóa đều là phản ứng dị thể vì chúng diễn ra tối thiểu có sự tham gia của pha rắn là vi khuẩn acid acetic, pha lỏng là nƣớc và các chất dinh dƣỡng, trong quá trình còn có pha khí là O2 cung cấp và CO2 (sản phẩm chuyển hóa của vi sinh vật). Vì vậy, ngoài ảnh hƣởng của nhiệt độ, độ pH, nồng độ... tới vận tốc phản ứng thì quá trình chuyển khối cũng có vai trò đặc biệt, nó ảnh hƣởng trực tiếp tới sự phát sinh và phát triển của vi sinh vật.
Trong quá trình lên men hiếu khí, ngoài sự vận chuyển các cơ chất hòa tan tốt nhƣ glucose, ethanol, ... còn có sự vận chuyển các chất ít tan nhƣ O2, CO2, ... Để phản ứng lên men hiếu khí xảy ra, ngoài cơ chất thì oxy cũng cần đƣợc khuếch tán từ pha khí qua pha lỏng rồi tiếp tục khuếch tán vào trong tế bào. Ở đó mới xảy ra các phản ứng sinh hóa dƣới tác dụng xúc tác của enzyme để tạo thành sản phẩm trao đổi chất. Sản phẩm trao đổi chất lại đƣợc khuếch tán ngƣợc trở lại ra môi trƣờng xung quanh.
Qua đó, cho thấy nghiên cứu hệ sinh hóa ngoài đặc điểm sinh học của quá trình cũng cần khảo sát kỹ sự vận chuyển các chất trong các pha tham gia vào quá trình.
Cơ chế của quá trình khuếch tán
Quá trình vận chuyển oxy và cơ chất (rƣợu) đến tế bào vi sinh vật trong quá trình lên men hiếu khí diễn ra trong các fermentor dạng ống có màng vi sinh vật bám trên các đệm trơ bao gồm một số giai đoạn chính sau đây: