- 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
4.1.2.3. Các thiết bị phản ứng sinh học cho LM
Thiết kế thiết bị phản ứng sinh học LMX phụ thuộc rất nhiều vào cơ chất rắn, theo Musoni DAet al.,2010, thiết bị phản ứng sinh học là cốt lõi của q trình sinh học, có vai trị chính như sau: (1) Để chứa cơ chất, (2) thực hiên quá trình hoạt động của vi sinh vật, (3) Bảo vệ quá trình vi sinh vật không bị ô nhiễm và (4) Kiểm sốt các điều kiện mơi trường để tối ưu hóa sinh trưởng, phát triển và hình thành sản phẩm của vi sinh vật. Như vậy, thiết bị phản ứng sinh học cung cấp môi trường phù hợp cho sự phát triển và hoạt động sống của vi sinh vật, có nghĩa phải phù hợp với tùng loại vi sinh vật và mục tiêu sản xuất sản phẩm.
1. Phân loại thiết bị phản ứng sinh học cho LMX
Lý do chính để thiết kế thiết bị phản ứng sinh học LMX là để giải quyết các vấn đề lớn như vận chuyển oxy, loại bỏ nhiệt trao đổi chất, độ ẩm và độ không đồng nhất của cơ chất rắn. Theo Mitchell DAet al., 2010, hiệu suất phản ứng sinh học tốt được kiểm soát bởi hai yếu tố:
(1) Sự tương tác giữa vi sinh vật và mơi trường hiện tại của nó và (2) Ảnh hưởng của các phương thức thiết kế và vận hành đến các điều kiện trong môi trường cụ thể của vi sinh vật.
Thông thường 2 phương thức được sử dụng để tạo ra các quy trình LMX là sục khí và đảo trộn như sau: (1) Việc cung cấp khơng khí lưu thơng xung quanh các hạt chất rắn lên men và (2) Khơng khí đi qua các hạt xen kẽ của cơ chất rắn lên men.
Trong phương thức trên, ba loại trộn có thể được sử dụng trên các lớp nền lên men: (1) Tĩnh (không trộn), (2) Trộn không liên tục (khuấy trộn) hoặc (3) Trộn liên tục (khuấy trộn), cịn cấp khí có thể sử dụng cấp khơng khí khơ hoặc khơng khí bão hịa.
Hình 4.4: Các pha trong hệ thống lên men xốp (Manan MA & Webb
C, 2017).
Nói chung, từ quan điểm vĩ mơ, có ba hệ thống chính trong các thiết bị phản ứng sinh học LMX: (1) Quá trình sinh học diễn ra trong cấu
trúc của thiết bị phản ứng sinh học, (2) Lớp cơ chất lên men, kết hợp các hạt chất rắn ẩm và các hạt cơ chất rắn, chứa đầy oxy và (3) Khu vực trên bề mặt của lớp cơ chất lên men (được gọi là khơng gian trên), có nồng độ oxy cao (Hình 4.4).
Trong quá trình lên men trên mơi trường xốp, khơng khí chứa trong các hạt cơ chất lên men thì vi sinh vật, đặc biệt là nấm, xạ khuẩn, sẽ tạo thành lớp màng sinh học bao quanh hạt cơ chất, sau đó sẽ phát triển thành khuẩn ty lấp đầy khơng gian giữa các hạt cơ chất và khối môi trường lên men.
Theo thiết kế thiết bị phản ứng sinh học LMX của Mitchell et al., 2006, có thể được
phân thành bốn nhóm (Hình 4.5) như sau:
Hình 4.5: Phân loại thiết bị phản ứng sinh học theo phương thức cấp khí và khuấy trộn (Manan MA & Webb C, 2017).
Nhóm 1. Thiết bị phản ứng sinh học khay nuôi
Trong lịch sử, thiết bị phản ứng sinh học khay(Tray bioreactor) đã được sử dụng rộng rãi trong LMX truyền thống. Sử dụng khay là hệ thống lâu đời nhất và chúng rất đơn giản trong thiết kế và được sử dụng trong điều kiện tĩnh, khối mơi trường khơng trộn lẫn và khơng có sục khí cưỡng bức trên giá thể rắn, quá trình lên men được thực hiện trong các khay đứng n khơng có khuấy trộn cơ học. Đáy của khay được đục lỗ hoặc lưới để giữ cơ chất rắn, cho phép thơng khí bình thường vào khối ủ. Loại hệ thống này chỉ chứa một lượng chất rắn giới hạn được lên men, vì do chỉ để được lớp mỏng mơi trường xốp để tránh quá nhiệt xảy ra và
Hình 4.7: Sơ đồ thiết bị phản ứng sinh học thùng quay (Manan MA & Webb C, 2017).
duy trì điều kiện hiếu khí. Độ dày của lớp mơi trường, diện tích bề mặt khay và nhiệt độ buồng ni ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật, nhưng cũng có thể cải thiện sự trao đổi nhiệt và truyền khí.
Như vậy, độ dày của mơi trường cơ chất rắn có thể được thay đổi sao cho phù hợp và các khay được đặt trong phịng ni có kiểm sốt nhiệt độ và độ ẩm để cho vi sinh vật phát triển tối ưu. Các khay nuôi được sắp xếp chồng lên nhau với các khoảng trống phù hợp, hơn nữa nâng áp suất khơng khí và lưu thơng khơng khí bên trong thiết bị ni sẽ đẩy nhanh q trình truyền nhiệt giữa bề mặt cơ chất và khơng khí bên ngồi bằng sục khí cưỡng bức (xem hình 3.2, mục 3.3.1.2).
Nhóm 2. Thiết bị phản ứng sinh học khối ủ
Thiết bị phản ứng sinh học khối ủ(Packed- bed bioreactor) được thiết kế từ thùng bằng thủy tinh hoặc nhựa, thùng kín chứa khối cơ chất lên men, phía trên có nắp đậy và đế thùng được đục lỗ qua đó sục khí cưỡng bức vào thùng. Các hệ thống kiểu này rất hữu ích cho việc phát triển sản phẩm, vì có thể kiểm sốt quy trình hiệu quả, đặc biệt là việc loại bỏ nhiệt dễ dàng hơn do sử dụng máy sục khơng khí ẩm cưỡng bức giúp cải thiện độ ẩm của lớp lên men và kiểm sốt nhiệt độ. Tuy nhiên, khơng phải tất cả nhiệt lượng sinh ra trong quá trình lên men đều được loại bỏ mà bơm khơng khí khơ mát, thay thế độ ẩm ở trong khối ủ lên men (Hình 4.6).
Nhóm 3. Thiết bị phản ứng sinh học dạng thùng quay
Thiết bị phản ứng sinh học dạng thùng quay(Rotating drum bioreactors)là một hình trụ nằm ngang có đảo trộn xen kẽ, khơng cần sục khí cưỡng bức và hoạt động ở chế độ liên tục hoặc bán liên tục. Thùng quay được chứa khối cơ chất, tuy nhiên khối ủ lên men không thể quá đầy tạo độ thống để chuyển hóa oxy và cacbon dioxide tốt hơn và việc kiểm sốt nhiệt độ khá khó khăn.
Cơ chất rắn được trộn khác nhau cho các vi sinh vật khác nhau. Trộn có thể liên tục, khơng liên tục hoặc hỗn hợp (Hình 4.7 và 4.8).
Hình 4.6: Sơ đồ thiết bị phản ứng khối ủ (Manan MA & Webb C, 2017).
Hình 4.9: Sơ đồ thiết bị phản ứng sinh học tầng sôi (Manan MA & Webb C,
2017).
Nhóm 4. Thiết bị phản ứng sinh học tầng sôi (Fluidized-bed bioreactor)
Thông thường, thiết bị phản ứng sinh học tầng sôi được xây dựng từ một buồng thẳng đứng với một tấm đế đục lỗ và sục khí cưỡng bức được áp dụng ở khoang dưới cùng với tốc độ đủ để làm loãng các hạt cơ chất rắn và gây ra sự trộn lẫn. Ngoài ra, Thiết bị phản ứng sinh học có bộ khuấy (bộ ngắt cục), phá vỡ các chất kết tụ có thể hình thành và lắng xuống đáy. Khoang ni cấy mở rộng và do đó cần có đủ khoảng trống để hỗn hợp các hạt rắn và khí sẽ hoạt động giống như một chất lỏng. Thiết bị phản ứng sinh học tầng sơi này pha trộn tốt giữa pha khí, pha rắn và chất lỏng
và nước bay hơi có thể làm mát sinh khối. Sơ đồ thiết kế của lò phản ứng sinh học tầng sơi có thể được nhìn thấy trong hình 4.9.
2. Hiện tượng chuyển khối trong LMX
Hiệu suất của LMX phụ thuộc rất lớn vào vấn đề như chuyển khối và tốc độ phản ứng sinh học, cũng như thiết kế và vận hành hệ thống thiêt bị phản ứng sinh học hiệu quả. Quy mô cấp độ nhỏ và quy mô cấp độ lớn được sử dụng để mô tả về chuyển khối trong hệ thống thiết bị phản ứng sinh học LMX. Theo Mitchell et al., 2010: (1) Chuyển khối quy mô nhỏ liên quan đến sự phát triển của vi sinh vật bị ảnh hưởng bởi sự tương tác giữa vi sinh vật và môi trường trong các hạt cơ chất rắn và (2) Chuyển khối quy mô lớn đề cập đến hiệu quả của chiến lược thiết kế và vận hành hệ thống thiết bị phản ứng sinh học LMX và điều này có thể ảnh hưởng đến điều kiện trong mơi trường nuôi cấy vi sinh vật cụ thể như thế nào.
Nói chung, hiện tượng chuyển khối trong LMX khơng dễ đo lường, bởi vì các hiện tượng khác nhau diễn ra cùng một lúc. Ngoài ra, các hiện tượng chuyển khối thay đổi liên quan đến loại thiết bị phản ứng sinh học, cấp độ và các yếu tố khác như:
(1) Truyền nhiệt: Trong LMX, một lượng nhiệt trao đổi chất cao được tạo ra và phụ thuộc vào mức độ hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật. Sự truyền nhiệt vào hoặc ra khỏi hệ thống LMX liên kết chặt chẽ với hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật, cũng như sục khí của hệ thống lên men. Trong LMX, truyền nhiệt là cần thiết để kiểm soát nhiệt độ.
(2) Truyền nước: Trong LMX, có bốn yếu tố, trong đó hỗ trợ trạng thái và cân bằng nước trong hệ thống, chúng bao gồm mực nước trong bước thủy phân, sản xuất nước trao đổi chất, hấp thu nước nội bào trong quá trình sản xuất sinh khối và sản xuất nhiệt trao đổi chất gây ra sự bốc hơi nước. Điều quan trọng là giữ cho hàm lượng nước ở mức tối ưu để tránh vi sinh vật phát triển kém trong LMX.
Hiện tượng này ở quy mô lớn mô tả hiệu quả của phương thức thiết kế và vận hành hệ thống thiết bị phản ứng sinh học LMX và tác động của chúng đến các điều kiện trong môi trường sống của vi sinh vật (như cung cấp sục khí, trộn hoặc khuấy trộn và loại bỏ nhiệt). Theo Mitchell et al., 2007, hiện tượng này ở quy mơ lớn đề cập đến một số tình huống và vấn đề mà các hệ thống thiết bị phản ứng sinh học LMX phải đối mặt:
(1) Sự chuyển động của khơng khí vào và ra khỏi thiết bị phản ứng sinh học có thể ảnh hưởng đến việc vận chuyển số lượng lớn, đặc biệt là oxy, carbon dioxide, nước và nhiệt, xảy ra. Thơng thường, nó xảy ra trong khoảng không gian trên của thiết bị hoặc không gian hạt, thong thường tùy thuộc vào loại phản ứng sinh học.
(2) Nếu thiết bị phản ứng sinh học được vận hành với sục khí cưỡng bức, điều này có thể ảnh hưởng đến mức độ vận chuyển hàng loạt hiệu quả, đặc biệt là vận chuyển giữa các hạt. Khơng khí cưỡng bức khơ có thể gây ra tổn thất độ ẩm lớn và làm khô chất nền rắn.
(3) Nếu thết bị phản ứng sinh học được vận hành với khuấy trộn hoặc trộn, hai tiêu chí quan trọng cần được tính đến. Đầu tiên, các hạt cơ chất rắn phải đối phó với ứng suất cắt và không được đông lại sau khi khuấy hoặc trộn. Thứ hai, các vi sinh vật sẽ có thể đối phó với căng thẳng cắt, nếu khơng trộn hoặc khuấy trộn có thể làm hỏng chúng.
(4) Vận chuyển số lượng lớn có thể xảy ra như là kết quả của sự dẫn truyền tự nhiên, đối lưu và khuếch tán.
(5) Vận chuyển nhiệt số lượng lớn thông qua dẫn truyền qua các bức tường phản ứng sinh học đến xung quanh có thể xảy ra.
(6) Làm mát đối lưu trên các bức tường phản ứng sinh học với xung quanh cũng có thể xảy ra.
(7) Tính chất vật lý của chất nền rắn như mật độ, độ xốp (khoảng trống) và độ dính thay đổi trong q trình lên men. Ngồi ra, oxy chỉ có thể di chuyển bằng cách khuếch tán một khi nó được chuyển từ pha khí sang pha lỏng trong hạt.
Những tiến bộ về sự hiểu biết về vi sinh và thành phần của các sản phẩm mục tiêu và nguyên liệu thô (sinh khối) của chúng, cũng như sự phát triển của thiết bị phản ứng sinh học LMX tiên tiến, cho phép nghiên cứu và phát triển nhất quán hơn về LMX. Mặc dù có nhiều hạn chế, nhiều cơ sở cơng nghiệp trên tồn thế giới vận hành thành cơng các quy trình LMX, mặc dù một số trong số họ sản xuất một lượng tương đối nhỏ các sản phẩm có giá trị gia tăng cao mà khơng cần thiết bị phản ứng sinh học quy mô lớn. Trường hợp khác, các thiết bị phản ứng sinh học không hoạt động tối ưu, hoặc các thiết bị phản ứng sinh học khơng dễ thích nghi với các quy trình khác nhau được sử dụng, nhưng tin rằng trong tương lai gần, các thiết bị phản ứng sinh học LMX quy mô lớn linh hoạt và hiệu suất tối ưu sẽ được thiết kế, xây dựng và vận hành thành công, mặc dù cần nhiều nghiên cứu kỹ thuật hơn. Các thiết bị phản ứng sinh học này sẽ sử dụng các công cụ đáng tin cậy và chi phí thấp, đặc biệt được thiết kế cho LMX và các phương thức kiểm soát tinh vi. Khả năng của vi sinh vật, đặc biệt là nấm sợi, chuyển đổi sinh khối thông qua chuyển đổi sinh học LMX sẽ có tác động lớn đến thực phẩm và cơng nghiệp nơng nghiệp trong mọi khía cạnh của cuộc sống từ thực phẩm và dược phẩm sang nhiên liệu. Đây là một tương lai chắc chắn sẽ đưa ra những thách thức và cơ hội mà chúng ta nên nắm lấy.