2. Pha nhân lên chậm 3-4. Pha logarit 5. Pha cân bằng 6. Pha suy vong
Khi nghiên cứu quá trình sinh tr−ởng của vi sinh vật trong bình lên men, ng−ời ta chú ý tr−ớc hết đến các quá trình trong đó sản phẩm mong muốn lμ
một sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật. Có hai loại chất trao đổi chủ yếu đ−ợc gọi lμ sản phẩm bậc một vμ sản phẩm bậc hai. Một chất trao đổi bậc một lμ một chất đ−ợc tạo thμnh trong pha sinh tr−ởng đầu tiên của vi sinh vật, trong khi một chất trao đổi bậc hai lμ một chất đ−ợc tạo thμnh gần vμo lúc kết thúc quá trình sinh tr−ởng, th−ờng vμo gần hoặc vμo chính pha cân bằng.
Nghiên cứu quá trình sinh tr−ởng vμ phát triển của vi sinh vật trong bình lên men để điều khiển quá trình sao cho vi sinh vật phát triển tốt nhất vμ tạo ra đ−ợc tối đa sản phẩm mμ ta mong muốn. Để theo dõi sự phát triển của vi sinh vật trong bình lên men th−ờng tiến hμnh phân tích một số chỉ tiêu cơ bản nh− trọng l−ợng sinh khối trong một đơn vị thể tích, hμm l−ợng protein hoặc ADN trong tế bμo, số l−ợng tế bμo/đơn vị thể tích. Sự tăng sinh khối trong một đơn vị thể tích bao hμm sự tăng về số l−ợng tế bμo vμ sự tăng về kích th−ớc mỗi tế bμo.
Thời gian trung bình để tăng gấp đôi tế bμo đối với các vi sinh vật nh− sau: − Vi khuẩn : 0,25 - 1 giờ
− Nấm men : 1-2 giờ − Nấm mốc : 2 - 6,5 giờ − Tế bμo thực vật : 20 - 70 giờ − Tế bμo động vật : 15 - 48 giờ
Để đạt đ−ợc tốc độ sinh tr−ởng của vi sinh vật theo mong muốn vμ tạo ra sản phẩm với hiệu suất tối đa cũng cần phải nghiên cứu thêm các điều kiện khác nữa nh− thμnh phần môi tr−ờng các chất kích thích sinh tr−ởng, các tiền chất (precusor) để h−ớng dẫn vi sinh vật tạo ra các sản phẩm mong muốn. Ví dụ, thêm acid phenylacetic vμo môi tr−ờng lên men sinh tổng hợp penicillin ta thu đ−ợc benzylpenicillin (penicillin G), còn nếu ta thêm vμo môi tr−ờng chất acid phenoxyacetic ta lại thu đ−ợc phenoxymethylpenicillin (penicillin V), rõ rμng lμ có thể điều khiển đ−ợc quá trình lên men theo ý muốn. Trên thực tế các viện nghiên cứu, các nhμ máy sản xuất các chế phẩm sinh học đều có phòng nghiên cứu về công nghệ lên men.
Trong công nghệ lên men, ng−ời ta cũng phân ra các kiểu lên men (nuôi cấy) sau: lên men chu kỳ (batch fermentation), lên men bán liên tục (semi – continuous fermentation) vμ lên men liên tục (continuous fermentation).
Trong lên men chu kỳ, vi sinh vật đ−ợc nuôi cố định trong bình lên men với một thể tích môi tr−ờng xác định. Vi sinh vật phát triển theo giai đoạn (hình 3.1) vμ tạo ra các sản phẩm. Kết thúc quá trình, ng−ời ta tiến hμnh các công đoạn cần thiết để thu lấy sản phẩm. Ph−ơng pháp lên men chu kỳ đ−ợc ứng dụng để sản xuất nhiều hoạt chất quan trọng nh− acid amin, các chất kháng sinh.
Lên men chu kỳ có cải tiến cũng đ−ợc áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng bình lên men. Ví dụ nuôi các nấm men để thu sinh khối tế bμo, nhằm thu đ−ợc năng suất cao trong một đơn vị thể tích nuôi cấy, trong quá trình nuôi th−ờng bổ sung thêm dinh d−ỡng (hydrat carbon) vμ các yếu tố cần thiết khác nhằm lμm cho mật độ tế bμo trong bình tăng lên.
Lên men bán liên tục lμ quá trình lên men vi sinh vật trong điều kiện xác định, khi vi sinh vật phát triển trong một thời gian đủ để tạo ra nồng độ
sinh khối cần thiết ng−ời ta lấy bớt đi một thể tích môi tr−ờng bao gồm cả sinh khối, đồng thời bổ sung thêm một thể tích môi tr−ờng mới bằng chính l−ợng môi tr−ờng đã lấy đi. Bằng cách lμm nh− vậy chỉ cần truyền giống một lần vẫn có thể thu hoạch sản phẩm nhiều lần.
Hình 3.2. Sơ đồ đơn giản mô tả nguyên tắc lên men liên tục
Lên men liên tục lμ quá trình nuôi vi sinh vật trong thiết bị đ−ợc cấu tạo đặc biệt để sao cho khi vật nuôi đã phát triển đến một giai đoạn nμo đó thích hợp cho việc lấy đi một thể tích môi tr−ờng lên men cùng tế bμo vμ các sản phẩm trao đổi chất của chúng, lại bổ sung đúng một thể tích môi tr−ờng dinh d−ỡng mới vμo bình nuôi cấy, lúc đó ta có đ−ợc trạng thái cân bằng động. Vi sinh vật trong bình nuôi luôn luôn ở pha logarit (hình 3.2).
Đặc điểm của các ph−ơng pháp lên men vi sinh vật. Bảng 3.3. Đặc điểm của các ph−ơng pháp lên men
Ph−ơng pháp lên men Các đặc điểm thao tác
Môi tr−ờng xốp Đơn giản, rẻ, có thể chọn lọc
Nuôi bề mặt Các khuẩn lạc từ tế bào đơn; kiểm tra quá trình bị giới hạn
Lên men chìm đồng thể phân phối tế bào chu kỳ
Các kiểu bình lên men khác nhau; lọc tia, đĩa quay, ống quay bình phản ứng tạo bọt tự động phản ứng, các kiểu bình phản ứng khác nhau: liên tục bình phản ứng có khuấy, bình elip, vòng ... có máy khuấy, hoặc khuấy bằng khí nén, có thể kiểm tra các hằng số vật lý trong chất lỏng, nh−ng chủ yếu là kiểm tra các hằng số hoá học và sinh học.
Chu kỳ có bổ sung Ph−ơng phápđơn giản kiểm tra và điều chỉnh hiệu quả.
Liên tục đồng nhất một giai đoạn
Kiểm tra chính xác phản ứng; rất tốt cho nghiên cứu động học và điều chỉnh; chi phí cao cho nghiên cứu thực nghiệm, tuyệt đối vô trùng, ng−ời thao tác phải đ−ợc đào tạo và có chuyên
Ph−ơng pháp lên men liên tục đ−ợc ứng dụng để sản xuất protein đơn bμo (nấm men) sản xuất acid acetic, ethanol vμ xử lý n−ớc thải của một số nhμ
máy. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân nên ph−ơng pháp lên men chu kỳ vẫn hay đ−ợc ứng dụng hơn.
Ưu điểm của kỹ thuật lên men chu kỳ vμ chu kỳ có bổ sung môi tr−ờng
• Cung cấp sản phẩm theo yêu cầu với số l−ợng nhỏ ở bất kỳ thời gian nμo, hoặc đôi khi có yêu cầu.
• Vòng đời của sản phẩm ngắn.
• Sản xuất với nồng độ cao trong dịch lên men yêu cầu quá trình thao tác phải tối −u.
• Một vμi sản phẩm chuyển hoá đ−ợc tạo ra chỉ ở pha cân bằng của chu kỳ phát triển.
• Tính không ổn định của một vμi chủng sản xuất cần l−u ý th−ờng xuyên phải chọn lọc.
• Quá trình lên men liên tục đòi hỏi kỹ thuật phức tạp.