Khuynh hướng sử dụng các nguồn nitơ bổ sung- 123docz.net

Trong điều kiện sản phẩm acid lactic ổn định, việc sử dụng nguồn nitơ trung bình đạt 0.2gYE/g lactate, 0.275 g peptone/g lactate. Mặc dù sự dao động có thể thấy ở thời điểm bắt đầu và sắp kết thúc quá trình lên men, nguồn tiêu thụ này ổn định thật sự trong khoảng thời gian từ 313-530h, nghĩa là quá trình sử dụng các nguồn nitơ bổ sung của giống

Lactobacillus này là hiệu quả đối với quá trình lên men.

d Một nghiên cứu khác về mức độ tiêu thụ nguồn cơ chất bổ sung của vi sinh vật trong quá trình lên men:

A.Olmos et al. (1997) cũng có nghiên cứu về vấn đề này. Cũng trên mô hình nuôi cấy có hồi lưu tế bào, ông đưa ra tỷ lệ giữa hai nguồn bổ sung nitơ là α, đặc trưng cho tỷ lệ của chất chiết nấm men YE và Tryptone.

Ở tốc độ pha loãng 0.25h-1, nồng độ glucose khoảng 55-85g/L và glucose bổ sung vào để nguồn cơ chất không bị giới hạn. Nồng độ của YE và Tryptone thay đổi bằng cách điều chỉnh đơn giản dòng vào, nồng độ của hai yếu tố này tỷ lệ nhau theo α, α =1 khi YE=5g/L và Tryptone là 10g/L.

Khi trạng thái cân bằng được thiết lập tạm thời với α=1, thay đổi điều kiện bằng cách giảm α từ 1 xuống 0.5. Mỗi trạng thái cân bằng tạm thời này được giữ ít nhất là trong suốt thời gian lưu (40h). Ta chọn điều kiện khi sinh khối đạt cân bằng và không có sự phát triển nào nữa.

Bảng 3.3. Các thông số biểu diễn quá trình sinh trưởng L. casei và sản xuất acid lactic trong mô hình MRB với hệ số bổ sung nguồn nitơ khác nhau.

α=0.5 α=1

Sinh khối (g/L) Acid lactic (g/L) Glucose sử dụng (%)

Năng suất riêng acid lactic νP (g/g.h) Mức độ tiêu thụ glucose riêng qS (g/g.h) Hiệu suất YP/S 76.8±0.05 57.2±0.6 85±0.3 0.18±0.004 0.19±0.001 0.95±0.01 76.8±0.1 57.8±0.2 86±0.4 0.19±0.003 0.19±0.002 0.96±0.01

Tốc độ sinh tổng hợp acid lactic (g/L.h) 14.2±0.2 14.4±0.1

Việc giảm α từ 1 xuống 0.5 không làm thay đổi hàm lượng acid lactic mà chỉ giảm rất ít tốc độ riêng sinh tổng hợp acid lactic, cải thiện được kết quả số tế bào chết trong canh trường, hàm lượng glucose sử dụng giảm nhẹ. Tuy nhiên cũng có thể vì sai số hệ thống mà thu được kết quả không chênh lệch nhiều.

Sinh trưởng trong thiết bị hồi lưu tế bào dẫn đến nồng độ sinh khối (X=77g/L) cao gấp 19 lần so với lên men tĩnh. Tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm cũng cao gấp 8 lần trong khi hiệu suất không thay đổi ở cả hai trường hợp.

Nhận xét quá trình thực hiện trong MBR-ED

Tóm tắt lại hàm lượng sản phẩm và sinh khối trong bảng sau:

Bảng 3.4. Đánh giá hiệu quả trong lên men acid lactic trong hệ thống MBR-ED bởi giống Bacillus stearothermophilus BS119 (H. Danner et al. 2002)

Tốc độ pha loãng (h-1)

Lactate (g/L)

Hiệu suất (%)

Tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm (g/L.h) Glucose sót (g/L) 0.02 0.03 0.04 55 47 35 80 60 75 0.8 1.26 1.38 13 78 54

Trong quá trình vận hành, khi tốc độ pha loãng thay đổi từ 0.02 – 0.04h-1, tốc độ sinh tổng hợp acid lactic tăng lên thấy rõ. Nồng độ lactate có khuynh hướng đi xuống khi D tăng, đồng thời thời gian lưu cũng giảm và hàm lượng đường sót tăng (kết quả nghiên cứu của Tejayadi và Cheryan (1995) cũng tương tự). Vì vậy, sự kết hợp của nồng độ cơ chất và tốc độ pha loãng có thể nói lên khả năng trao đổi chất trong quá trình lên men. Nồng độ đường sót tăng tại giá trị D cao hơn cho thấy việc giảm hoạt tính của giống vi sinh vật. Việc sử dụng giống Bacillus strains khác (IFA 116) trong lên men liên tục có hồi lưu tế bào, cũng ở nhiệt độ cao, có thể chuyển hóa được toàn bộ lượng saccharose và đạt 40g/L acid lactic (H. Danner et al. 1998).

Nhận thấy ưu điểm của cách vận hành hệ thống này, do nguồn cơ chất là glucose không phải qua tiệt trùng, glucose được châm vào đều đặn tạo áp suất thẩm thấu để tránh sự phát triển vi sinh vật nhiễm trong bình chứa, ở quy mô công nghiệp, dung dịch đường thường được giữ ở nồng độ cao (trên 50%), và sau đó nếu muốn thì pha loãng trở lại, chứ còn vấn đề tiệt trùng một lượng lớn glucose sẽ tốn thời gian và năng lượng, gây ra giá thành cao trong sản xuất acid lactic. Vì vậy, lên men trong điều kiện ưa nhiệt có thể làm giảm chi phí quá trình.

Nhận xét về việc sử dụng mô hình có kết hợp thiết bị ED:

Phụ thuộc vào quá trình vận hành trong reactor, mỗi chu kỳ ED kéo dài khoảng 3-4 ngày. Nếu kéo dài chu kỳ quá 4 ngày có thể gây mờ đục cho dòng CS (dòng sản phẩm). Hiện tượng này xuất hiện khi nhiệt độ phía CS tụt từ 60 xuống còn 550C. Kết thúc mỗi chu kỳ, thiết bị ED được làm sạch bằng dung dịch NaOH 2% để loại bỏ những tạp hữu cơ từ membrane. Khi xảy ra hiện tượng tắc nghẽn màng quá nhiều, quá trình ED sẽ dừng hẳn để làm sạch và kiểm tra membrane, và việc dừng này có thể thực hiện mỗi tuần một lần trong suốt quá trình lên men.

Quá trình ED có thể liên tục tháo lactate từ dòng permeate của MBR trong khi glucose và những hợp chất không ion khác bị giữ lại trong chu trình DS gây ra việc giảm thể tích ở

bồn DS trong suốt quá trình. Từ đó, hàm lượng đường sót trong reactor cao hơn trong mô hình MBR-ED. Vận hành MBR-ED tại giá trị tốc độ pha loãng thấp (chẳng hạn 0.02 h-1) có thể làm giảm lượng đường sót, điều này cũng giúp hạn chế nguy cơ nhiễm trong chu trình hồi lưu permeate, cũng như độ nhớt và những vấn đề về bơm được khắc phục. Độ nhớt trong dung dịch châm vào mà tăng sẽ làm giảm việc trộn đều, dẫn đến việc lưu lượng dòng lactate giảm trong ED.

Điều khiển ED từ dòng permeate có thể vừa thu nhận vừa tinh sạch sản phẩm, cũng như làm cho việc giữ và hồi lưu hàm lượng đường sót và nguồn cơ chất chưa sử dụng dễ dàng hơn. ED làm giảm chi phí sản xuất, cải thiện nguồn nguyên liệu và năng lượng trong quá trình, và như thế, làm giảm chi phí thu nhận và tinh sạch sản phẩm cuối cùng.

ED có thể tách hiệu quả các hợp chất màu trong dung dịch lactate. Từ dòng permeate màu đỏ nâu dẫn đến sản phẩm có màu vàng cam, ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao. Hệ ED 1 cực cũng đã từng được đề cập trong các nghiên cứu trước đây nhưng chỉ điều chỉnh pH trong lên men acid lactic (Hongo et al. 1986), chứ không ở điều kiện 600C. Hiện tượng tắc nghẽn màng không trầm trọng, dòng permeate cũng không bị nhiễm.

Tuy nhiên, hệ thống vận hành khá phức tạp, cũng như thiết bị khá đắt tiền.

4. Hệ thống MBR với membrane nanofiltration NF (R. Jeantet et al. 1996)

Hơn ½ sản lượng acid lactic trên thế giới sản xuất từ lên men bởi nguồn carbon rẻ tiền như whey hoặc whey permeate. Năng suất tính theo thể tích trong lên men acid lactic được cải thiện bằng cách sử dụng bioreactor có mật độ tế bào cao, có thể là tế bào cố định hoặc hồi lưu tế bào. Membrane UF và MF kết hợp với bioreactor cho phép hồi lưu tế bào về bồn lên men và thu nhận dòng sản phẩm không có tế bào vi sinh vật.

MBR được nghiên cứu thành công trong rất nhiều bài báo và phát minh. Tuy nhiên, mặt hạn chế chủ yếu của nó ngoài việc làm giảm dòng permeate còn có vấn đề giảm nguồn carbon trong dòng permeate do độ không chọn lọc của UF và MF. Membrane điện thẩm tích ED (đã trình bày cụ thể ở phần trên) được sử dụng vừa phân tách tế bào, vừa tinh sạch sản phẩm từ canh trường lên men, tuy nhiên hiện tượng tắc nghẽn dễ xảy ra, dẫn đến việc giảm nhanh chóng tốc độ dòng permeate. Hơn nữa, ED không thể được tiệt trùng hiệu quả. Để giải quyết vấn đề này, người ta có thể gắn thêm MF giữa thiết bị lên men và thiết bị ED. Trường hợp này, R. Jeantet et al. đã nghiên cứu mô hình MBR mới, là sự kết hợp giữa thiết bị membrane với NF. Lọc NF cũng xảy ra dưới động lực là áp suất, giới hạn khối lượng phân tử của NF nằm giữa UF và thẩm thấu ngược RO. Ở bài này, nghiên cứu membrane NF để chỉ ra những thuận lợi trong sản xuất acid lactic với độ tinh khiết cao, đồng thời tận dụng được nguồn carbon có thể hồi lưu cùng với tế bào trở về bình lên men.

Khuynh hướng sử dụng các nguồn nitơ bổ sung trong MBR-ED

Thành phần môi trường

Thành phần môi trường