F là đồng hồ đo lưu lượng; T là đầu dò nhiệt độ; P là van áp suất.
− Bình lên men (Set 2M, Setric, Toulouse, France), nhiệt độ 420C, tốc độ cánh khuấy 130 rpm, pH 6 chỉnh bằng NaOH 5N.
− Thiết bị NF (MSP 006239 Prolab System – Milipore, Molsheim, France), với module NF dạng cuộn xoắn với tổng diện tích bề mặt 3000 cm2
− Bơm (Hydra-cell, Minneapolis, MN, USA) điều chỉnh tốc độ tiếp tuyến 0.75±0.03m/s.
− Trước khi NF hoạt động, cần làm sạch membrane tại điều kiện như sau: áp suất qua màng 10±0.2 bar, tốc độ tiếp tuyến 0.75±0.03m/s trong 30phút. Sau đó chạy thử NF, tốc độ tiếp tuyến vẫn giữ, áp suất tăng lên 1 bar/ph đến khi đạt 15±0.2bar.
b. Phương pháp :
− Sử dụng giống vi sinh vật Lactobacillus helveticus CNRZ 303
− Môi trường lên men bao gồm cheese whey permeate, 2% YE, và 40g/L lactose. Môi trường được tiệt trùng ở 1200C trong 20 phút. Dòng bổ sung chứa 75g/L lactose và nguồn nitơ 11.2 g/L. Nồng độ acid lactic ban đầu trong cheese whey permeate phải nhỏ hơn 3.5g/L.
c. Kết quả và bàn luận :
Hình 3.12. Biểu diễn những thành phần bị giữ lại trên NF trong sản xuất bán liên tục acid lactic từ whey permeate trong mô hình NMBR.
Sự giảm lượng lactate bị giữ lại trong bioreactor dẫn đến tốc độ sinh tổng hợp acid lactic nhanh hơn. Ở bước lọc thứ nhất, lượng lactate giữ lại ít, nhưng càng về sau, lượng lactate bị giữ lại có thể hơn 59g/L sau 1600 phút, nồng độ này có thể gây ức chế tế bào vi sinh vật, dẫn đến tốc độ sinh tổng hợp acid lactic ở bước 4 và 5 giảm (xem hình số 3.12A). Năng suất tính theo thể tích có thể đạt được cực đại là 7.1 g/L.h, cao hơn nhiều so với quá trình lên men tĩnh truyền thống chỉ đạt 1g/L.h.
Nồng độ lactose bị giữ lại ở khoảng 50-60g/L trong bình lên men và dưới 6g/L trong dòng permeate. Khi nồng độ lactose trong bình lên men lên đến 90g/L, nồng độ lactose có thể gây cản trở việc sinh tổng hợp acid lactic do ức chế tế bào vi sinh vật. Vì thế, người ta
chú ý là nên bổ sung nguồn dinh dưỡng gián đoạn tốt hơn là một môi trường hoàn chỉnh ngay từ đầu.
Ở hình 3.14C, nồng độ sinh khối đạt 2.5±0.1 g/L (DW) sau 1400 phút và giữ ở mức này trong suốt quá trình. Từ bước NF thứ tư trở về sau, nồng độ lactate giảm từ 57g/L xuống còn 30g/L hay có khi ít hơn, nhờ đó sinh khối tăng do giảm sự ức chế bởi acid lactic sinh ra lên tế bào vi sinh vật.
Daufin (1991) cho rằng hiện tượng tắc nghẽn do protein là một nguyên nhân chính trong NF làm ảnh hưởng đến lên men acid lactic. Từ đó, tác giả kết luận rằng tách protein ra khỏi môi trường bằng UF trước khi sử dụng thì hoạt động NF sẽ hiệu quả hơn. Như vậy, bước UF sẽ làm tăng chi phí quá trình và tác động không chỉ đối với protein mà những phân tử khác cũng bị ảnh hưởng đến quá trình membrane như là polysaccharides. Đây không chỉ là hiện tượng trong trường hợp nghiên cứu này mà cũng xuất hiện trong những quá trình lên men khác khi mà protein có phân tử lượng thấp có mặt trong môi trường làm nguồn dinh dưỡng của vi khuẩn.
Việc sử dụng membrane NF trong bioreactor hồi lưu tế bào cho phép giữ lại toàn bộ tế bào vi sinh vật, nâng cao năng suất theo thể tích, và tinh sạch sản phẩm ngay từ bước đầu tiên bằng việc giữ lại lactose. Điều này khả quan hơn so với UF và MF. Tuy nhiên, mặt hạn chế của NF là tốc độ dòng permeate khá chậm. Cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để đưa ra những thông số tối ưu cho quá trình MBR cải thiện nhược điểm này.
5. Kết luận
Một số ví dụ điển hình đưa ra cho thấy được rằng vấn đề sản xuất các loại acid hữu cơ nói chung, hay acid lactic nói riêng hiện nay đang rất được quan tâm. Ưu điểm của việc sản xuất này là có thể đi từ những nguồn nguyên liệu rẻ tiền, từ phụ phẩm của những ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, vấn đề thu nhận và tinh sạch sản phẩm lại khá phức tạp, đòi hỏi con người phải tìm ra nhiều giải pháp hơn nữa, sao cho có thể đạt được hiệu suất cao trong quá trình sản xuất acid hữu cơ, đồng thời chi phí sản xuất phải được giảm thiểu đến mức thấp nhất.
B. XYLITOL
Ngoài các sản phẩm acid hữu cơ, MBRs còn được ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất các loại carbohydrate, chẳng hạn như các sản phẩm palatinose (A. Krastanov et al. 2007), alginate (N.Saude et al. 2002), xylitol (Luis F. Figueiredo Faria et al. 2002, Sun- Myung Bae et al. 2004, Soun-Gyu Kwon et al. 2005)…
Xylitol là một loại polyol đơn giản, công thức C5H12O5, xylitol có trong tự nhiên như dâu, bắp cải bông… Đây là chất tạo ngọt có giá trị dinh dưỡng, độ ngọt của nó tương đương với đường sacharose. Xylitol được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất thực phẩm nhờ những tính chất đặc biệt của nó. Xylitol là loại đường thay thế quan trọng cho những người bệnh tiểu đường.
Xylitol có thể được tổng hợp bằng phương pháp hóa học, hoặc bằng phương pháp vi sinh vật. Tuy nhiên, con đường hóa học đòi hỏi chi phí cao do các bước tinh sạch rất phức tạp. Chuyển hóa sinh học đường xylose bởi nấm men là 1 phương pháp khác để sản xuất xylitol, phương pháp này hiệu quả kinh tế cao vì quá trình đơn giản, nguồn cơ chất đặc trưng và chi phí năng lượng thấp.
Trong con đường sinh học, có nhiều nghiên cứu được khảo sát nhằm cải thiện và nâng cao năng suất trong quá trình.
Hệ thống MBR sản xuất xylitol dễ ứng dụng quá trình liên tục – có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp tĩnh, nó có thể loại trừ thời gian chết trong quá trình làm sạch và tiệt trùng, sản phẩm được ổn định, điều khiển tự động dễ dàng, cũng như giá trị năng suất cao. Thường thì đối với hệ thống lên men tĩnh sự hình thành sản phẩm chỉ đạt được trong một khoảng thời gian rất ngắn là pha sinh trưởng cực đại. Còn hệ thống lên men liên tục cho phép tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm đạt ổn định ở mức cao trong thời gian vận hành dài (Luis F. Figueiredo Faria et al. 2002).
1. Mô hình MBR cho sản xuất xylitol từ nấm men Candida guilliermondii: được
Luis. (2002) mô tả như sau: a. Mô hình thiết bị