- Nuôi cấy bề mặt (surface cultivation): Thường vi sinh vật phát triển trên bề mặt mơi trường Ví dụ, vi sinh vật phát triển trên bề mặt môi trường thạch trong hộp Petri hay phát
CƠ SỞ KỸ THUẬT LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 4.1 Đặc điểm chung của kỹ thuật lên men công nghiệp
3.1.3.3. Các yếu tố môi trường và điều kiện ni cấy lên men chìm
1. Nhiệt độ
Nhiệt độ môi trường với vi sinh vật có mối quan hệ mật thiết, vì nhiệt độ khơng chỉ đơn thuần ảnh hưởng đến cường độ phát tiển của từng loại vi sinh vật mà chính khả năng sinh trưởng của chúng ở nhiệt độ đó. Mỗi loại vi sinh vật đều có nhiệt độ phát triển tối thiểu, tối thích và tối đa mà chúng có thể chịu được khác nhau.
Dựa vào khả năng của vi sinh vật phát triển trong khoảng nhiệt độ tối ưu khác nhau, người ta phân chia vi sinh vật thành các nhóm sau: Vi sinh vật ưa lạnh: Nhiệt độ sinh trưởng tối ưu dưới 20oC; vi sinh vật ưa ấm: Nhiệt độ sinh trưởng tối ưu từ 25 đến 45oC; vi sinh vật ưa nhiệt: Nhiệt độ sinh trưởng tối ưu từ 45 đến 70oC và vi sinh vật cực ưa nhiệt: Nhiệt độ sinh trưởng tối ưu trên 70oC.
Sự phân định các nhóm vi sinh vật theo nhiệt độ trên không phải là tuyệt đối mà thường giới hạn giữa các nhóm có phần xen cài lên nhau. Tuy nhiên, phần lớn các vi sinh vật là vi sinh vật ưa ấm. Nấm sợi và nấm men là những vi sinh vật ưa mát, nghĩa là thường từ 20 đến 30oC, tối ưu ở 25 - 26oC, nhưng cũng có một số lồi sống được ở 45oC, cũng có lồi sống được ở 1oC.
Ngày nay, người ta phát hiện được nhiều lồi có thể sinh trưởng phát triển ở nhiệt độ rất cao, như các chủng ở suối nước nóng, miệng núi lửa. Gần đây, khoa học đã phát hiện thấy các vi khuẩn cổ sống ở đáy biển, ở nguồn nước nóng có thể chịu được nhiệt độ lên tới 250oC, với áp suất 256 atm, ví dụ như lồiPyroditium occultum.
Hình 4.13. Thơng số sinh trưởng A. Sản lượng tế bào, B. Tốc độ sinh. C. Thời gian pha log.
Hình 4.14. Pha tiền phát (lag) a- Thay đổi sự tích luỹ ATP b- Thay đổi của sử dụng oxy.
Trong q trình phân lập và ni cấy vi sinh vật cũng cần chú ý đến nguồn vị trí lấy mẫu mà ni cấy thích hợp. Điều đó cũng có nghĩa là tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng mà người ta phân lập các chủng vi sinh vật ở những nơi có điều kiện sống tương ứng. Ví dụ, trong xử lý rác thải yếu tố nhiệt độ rất quan trọng, vì với ngun lý “càng nóng, càng tốt” thì vi sinh vật ưa nhiệt sẽ phát triển và thúc đẩy nhanh quá trình phân giải các chất trong bể ủ, đồng thời khi nhiệt độ hạ xuống sau ủ, các vi sinh vật ưa nhiệt sẽ chết làm cho bể ủ sạch. Người ta phân lập các chủng chịu được nhiệt độ cao ở những đống rác ủ thích hợp.
Trong q trình lên men sản xuất trong nồi lên men thường người ta giữ ở nhiệt độ phù hợp cho từng chủng vi sinh vật và khơng thay đổi trong suốt q trình lên men. Tuy nhiên, quá trình lên men thường làm tăng nhiệt độ bình, do vậy phải có hệ thống làm lạnh để giữ ở nhiệt độ phù hợp.
2. Oxy hòa tan
Phụ thuộc vào khả năng sử dụng oxy, người ta chia vi sinh vật thành 3 nhóm chính: Vi sinh vật hiếu khí: Phát triển ở hiệu thế oxy hố cao (nhu cầu oxy cao); vi sinh vật yếm khí: Phát triển ở hiệu thế oxy hố thấp (khơng cần oxy) và vi sinh vật yếm khí tuỳ tiện: Phát triển ở cả hiệu thế oxy hoá cao và hiệu thế oxy hoá thấp.
Trong tế bào vi sinh vật hiếu khí có đầy đủ hệ thống men hơ hấp, trong q trình oxy hố dùng phân tử oxy làm chất nhận hydro (H+), cịn trong q trình oxy hố được thực hiện nhờ sự tham gia của các enzyme dehydrolase, chúng dùng các chất hữu cơ có liên kết khơng bão hồ làm chất nhận H+.
Với đặc tính của từng nhóm vi sinh vật, nghiên cứu điều kiện ni cấy vi sinh vật là cần thiết. Ví dụ, trong q trình xử lý rác thải việc lựa chọn các loại vi sinh vật vừa có hoạt tính phân giải nhanh, vừa tạo điều kiện nuôi phù hợp với từng biện pháp xử lý là rất quan trọng và cần thiết như phương pháp ủ hiếu khí cần cung cấp lượng oxy thích hợp, phương pháp chơn lấp rác thải hoặc lên men sinh methan cần tạo điều kiện kị khí hồn tồn.
Trong lên men chìm, lượng oxy cần thiết phải là lượng oxy hịa tan vào mơi trường ni, do đó trong các bình lên men người ta thường bố trí cánh khuấy và máng chắn sóng để tăng cường sự hịa tan của oxy. Thơng thường lượng khí cấp cho vào nồi lên men là 1 lít/ 1 phút/ 1lít mơi trường lên men. Tuy nhiên lượng oxy hịa tan phụ thuộc chính vào cấu tạo và tốc độ của cánh khuấy.
3. pH môi trường lên men
pH môi trường ni cấy vi sinh vật rất quan trọng, vì mỗi loại vi sinh vật có khả năng sinh trưởng phát triển ở pH môi trường khác nhau. Người ta chia vi sinh vật thành các nhóm theo khả năng phát triển ở các pH môi trường như sau: pH từ 2-4 là nhóm acid mạnh; 4-5: nhóm acid; 5- 6: nhóm acid yếu; 6-7: nhóm trung tính; 7- 8: nhóm kiềm nhẹ; 8- 9: nhóm kiềm và trên 9: nhóm kiềm mạnh.
Đa số các vi sinh vật sinh trưởng phát triển bình thường trong phạm vi pH trung tính, có loại chịu được pH thấp nhưThiobacillus ferrooxydanscó thể sinh trưởng ở pH 1-2, nấm mốc chịu được pH 4-5. Ngược lại, nhiều lồi có thể sinh trưởng ở mơi trường kiềm, pH 10.
Sự thay đổi pH là do hàm lượng ion H+trong môi trường tạo nên. Hàm lượng H+trong môi trường ảnh hưởng đến sự hoạt động của các enzym trong tế bào ảnh hưởng đến quá tình
trao đổi chất của chúng. Dựa vào khả năng chịu pH khác nhau của vi sinh vật, người ta thay đổi pH tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển hoặc ức chế khả năng phát triển của chúng.
Trong q trình lên men sinh tổng hợp, pH mơi trường thường giảm nhẹ vào thời gian đầu do sự phân hủy các chất, như các protein thành các acid amin mang tính acid, sau đó pH thường tăng dần do quá trình trao đổi chất tạo ra các chất mang tính kiềm như các amoni... Tuy nhiên q trình này cịn phụ thuộc vào từng chủng vi sinh vật và sản phẩm tạo thành.
4. Áp suất
Phần lớn vi khuẩn không chịu ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất, vì chúng được bảo vệ nhờ thành tế bào cứng. Nếu thành tế bào này bị phá huỷ, thì chất ngun sinh bị giải phóng ra bên ngồi do áp suất bên trong tế bào thường cao hơn bên ngoài. Nếu ta tạo tế bào trần bằng cách dùng lysozym bóc vỏ tế bào, thì cần giữ cân bằng áp suât bằng cách đưa vào dung dịch đường saccharose 20%, nếu không chất ngun sinh bị nổ vỡ. Tuy nhiên, điều đó khơng đúng với nhiều loại vi khuẩn có thể thích nghi với mơi trường chứa đến 35g NaCl trong 1 lít. Tuỳ theo sự mẫn cảm của chúng đối với áp suất thẩm thấu mà người ta chia thành các nhóm:
- Vi khuẩn khơng ưa mặn (non-halophiles) phát triển trong mơi trường có nồng độ muối dưới 0,2 M như vi khuẩnEnterobacteria, Pseudomonas..
- Vi khuẩn ưa mặn (halophiles) cần nồng độ muối 0,2% đối với các lồi ưa mặn trung bình (P. mariana), 5,2% đối với những loài ưa rất mặn như Halococcus morrhueae, Halobacterium salinarium…
- Vi sinh vật chịu mặn (Halotolerants) như Staphylococcus, một số nấm men và nấm
mốc, một sốLactobacillus.
Để tránh nhiễm trùng, thông thường trong nồi lên men người ta thường giữ ở áp suất dư (khoảng 0,3 đến 0,5 atm). Nếu áp suất trong nồi lên men cao sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển của vi sinh vật.