Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy tĩnh (Batch culture)

C 6H12O6 + H2O Q

3.4.2.Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy tĩnh (Batch culture)

Các nội dung tóm lược

3.4.2.Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy tĩnh (Batch culture)

(Batch culture)

Quá trình nuôi cấy/lên men tĩnh hay còn gọi là nuôi cấy theo chu kỳ là quá trình nuôi cấy vi sinh vật mà môi trường dinh dưỡng chỉ được cho vào lúc đầu và không thêm chất dinh dưỡng cho đến khi kết thúc quá trình nuôi cấy. Trong quá trình nuôi cấy sản phẩm của quá trình lên men được tích lũy dần và chỉ được lấy ra khi quá trình lên men kết thúc. Trong quá trình nuôi cấy tĩnh, vi sinh vật tăng trưởng và phát triển theo một luật gồm 4 giai đoạn :

Giai đoạn 1 : Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn thích nghi hay pha lag hay pha tiềm

phát. Giai đoạn này được tính từ lúc bắt đầu nuôi cấy (0) cho đến lúc bắt đầu sinh trưởng và phát triển nhanh (A). Trong giai đoạn này, vi sinh vật thích nghi với cơ chất, gia tăng kích thước tế bào, nhưng chưa phân chia tế bào để gia tăng về số lượng. Thời gian kéo dài pha lag phụ thuộc vào :

- Tuổi giống cấy : Tuổi giống cấy đang ở giai đoạn sinh trưởng nào. Nếu sinh khối

giống ở giai đoạn phát triển thì thời gian pha lag sẽ ngắn. Còn nếu sinh khối giống ở giai đoạn thoái trào thì thời gian pha lag dài. Trong trường hợp này, giống vi sinh vật nên được lấy ở cuối giai đoạn phát triển là tốt nhất.

- Lượng giống cấy : Lượng cấy giống nhiều thì pha lag ngắn, còn ít thì ngược lại.

Trong công nghiệp lên men thường tỷ lệ giống cấy và môi trường nuôi cấy là 10%.

Giai đoạn 2 : Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn phát triển hay pha log. Giai đoạn này

tính từ lúc bắt đầu vi sinh vật phát triển manh (A) cho đến lúc bắt đầu ổn định (B). Ở giai đoạn này tế bào vi sinh vật gia tăng về kích thước và phát rất nhanh về số lượng theo phượng trình :

n N

N  0.2 hoặc lgNlgN0 nlg2

Trong giai đoạn này các chất dinh dưỡng giảm đi rất nhanh do vi sinh vật sử dụng đế phát triển. Đồng thời các tế bào vi sinh vật cũng tổng hợp enzyme và các hợp chất có tính sinh học nhiều với hoạt tính mạnh. Trong giai đoạn phát triển, dịch nuôi cấy không có tế bào già, vì chúng được phân đôi liên tục trong điều kiện dồi dào chất dinh dưỡng. Nếu mục đích của quá trình nuôi cấy là thu lấy sinh khối tế bào có hoạt tính mạnh hoặc các hợp chất có hoạt tính sinh học, nên kết thúc và thu nhận sản phẩm ở cuối giai đoạn này là tốt nhất.

Hình 3.6. Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy tĩnh

Giai đoạn 3 : Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn cân bằng hay pha ổn định. Giai đoạn này

được tính bắt đầu kết thúc giai đoạn phát triển (B) cho đến bắt đầu giai đoạn suy vong (C). Trong giai đoạn cân bằng, lượng tế bào vi sinh vật sinh ra bằng với lượng tế bào chết

đi, ta nói lượng tế bào vi sinh vật nằm trong trạng thái cân bằng động. Ở giai đoạn này, các chất dinh dưỡng trong môi trường giảm nhanh rõ rệt và sản phẩm (lên men) được tích lũy trong rất lớn. Số lượng tế bào trong quá trình nuôi cấy tĩnh có số lượng lớn nhất ở giai đoạn này. Vì thế nếu nuôi cấy vi sinh vật để thu nhận lấy sinh khối, nên kết thúc ở giữa giai đoạn này.

Giai đoạn 4 : Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn suy thoái hay pha suy vong. Trong giai

đoạn này, lượng tế bào sinh ra ít hơn lượng tế bào chất đi. Nguyên nhân của hiện tượng này là :

- Các chất dinh dưỡng đã bị cạn kiệt do vi sinh vật đã sử dụng.

- Các sản phẩm trao đổi chất được tích lũy ngày càng nhiều làm ức chế quá trình trao đổi chất của vi sinh vật.

- Tế bào vi sinh vật đến lúc già do hai nguyên nhân trên

Nếu mục đích của quá trình nuôi cấy là thu nhận các sản phẩm trao đổi chất (thường là sản phẩm lên men), nên thu nhận sản phẩm ở giai đoạn này.

 Hiện tượng sinh trưởng thêm

Hiện tượng này xảy ra ở pha suy vong, khi các vi khuẩn không phân chia nữa, rất nhiều vi khuẩn chết và tự thủy phân bởi chính các enzyme do chúng tạo ra. Một số còn lại chưa chết thì lại nhận được các chất dinh dưỡng từ những tế bào tự thủy phân và phân chia thêm vài lần nữa. Số lần phân chia thêm phụ thuộc vào cơ chất của các tế bào tự thủy phân.

 Hiện tượng sinh trưởng kép

Nếu trong môi trường tổng hợp gồm hỗn hợp hai loại cơ chất carbohydrate, thì có thể thấy đường cong tăng trưởng không bình thường.

Hình 3.8. Hiện tượng sinh trưởng kép

Lúc đầu, vi khuẩn tổng hợp enzyme để phân giải cơ chất dễ đồng hóa hơn. Khi chất này đã cạn kiệt, vi khuẩn lại được cảm ứng bởi chất thứ hai và tổng hợp ra enzyme tứ hai để phân giải chất đó. Cho nên khi nhìn vào đồ thị tăng trưởng của E. coli trên hai cơ chất

fructose và arabinose, ta thấy có hai pha lag (1 và 3), hai pha log (2 và 2’)và 2 pha ổn định (3 và 3’). Giai đoạn từ 1, 2 và 3 là giai đoạn thích nghi và sử dụng fructose. Giai đoạn từ 3, 2’ và 3’ là giai đoạn thích nghi và sử dụng arabinose.