- 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
4.1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình LM
Các quy trình LMX rõ ràng khác với lên men chìm. Trong hầu hết các trường hợp, nó là cơ chất hịa tan được hỗ trợ trên hạt rắn khơng hịa tan trong mơi trường có độ ẩm thấp. Ưu điểm của LMX đến từ sự đơn giản và gần gũi với môi trường sống tự nhiên của nhiều loại vi sinh vật. Thơng qua cơng nghệ sinh học hiện đại, có những sáng kiến mới để cải thiện và nâng cao năng suất của LMX. Mỗi loại vi sinh vật, cơ chất rắn và hệ thống thiết bị phản ứng sinh học đóng vai trị chính trong sự thành cơng của LMX. Hiệu suất của q trình LMX có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau, đó là (a) Yếu tố sinh học, (b) Yếu tố hóa lý và (c) Yếu tố cơ học.
1. Yếu tố sinh học
a. Chủng giống vi sinh vật:Tiêu chí quan trọng nhất trong LMX là lựa chọn loại vi sinhvật phù hợp, có khả năng phân hủy cơ chất rắn. Việc lựa chủng vi sinh vật thường phụ thuộc vào loại cơ chất rắn, nhu cầu sinh trưởng và sản phẩm mục tiêu. Những tiêu chí này sẽ ảnh hưởng đến việc thiết kế quá trình lên men và thu hồi sản phẩm. Việc sử dụng một vi sinh vật duy nhất, đặc biệt là trong các quá trình LMX cơng nghiệp, có ưu điểm là cải thiện tỷ lệ sử dụng cơ chất và kiểm sốt sản phẩm tạo thành, nhưng nhiều q trình lên men như bảo quản thực phẩm hay ủ phân là quá trình liên quan đến một số vi sinh vật cộng sinh cùng phát triển, do đó các q trình ni cấy hỗn hợp, chúng tồn tại trong các mơi trường sống tự nhiên.
b. Nhân giống:Giống có thể được mơ tả như là một chế phẩm có chứa số lượng lớn vi sinh vật sống, có thể được thêm vào để mang lại những thay đổi mong muốn trong cơ chất rắn. Tuổi của giống, môi trường nuôi cấy và trạng thái sinh lý có ảnh hưởng rất lớn đến q trình lên men.
c. Cơ chất:Nguồn carbon cung cấp trong mơi trường rất quan trọng đối với vi sinh vật, nguồn carbon cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp thành phần tế bào. Cơ chất rắn là một yếu tố chính trong LMX, ngồi việc cung cấp các chất dinh dưỡng như carbon và nitơ, chất rắn cịn đóng vai trị cấu trúc vật lý hỗ trợ sự phát triển của vi sinh vật. Một yếu tố quan trọng
khác trong việc lựa chọn chất nền là khả năng giữ nước duy trì độ ẩm của quá trình lên men cơ chất, hầu hết cơ chất rắn được sử dụng trong LMX đều dựa trên các loại cây trồng, thực phẩm nông nghiệp và phế thải nông nghiệp, chúng thường khơng được xử lý và có kích cỡ hạt khác nhau. Chất lượng và thành phần dinh dưỡng của chất rắn có thể khác nhau, khơng đồng nhất nên ảnh hưởng đến quá trình lên men, cơ chất rắn được sử dụng trong LMX có thể được phân thành năm nhóm chính, cụ thể là:
- Cơ chất là tinh bột: Chất nền tinh bột đã được sử dụng trong LMX bao gồm gạo, lúa mạch, yến mạch, sắn, cám lúa mì, bột sắn, bột ngô, okara, bã khoai lang và vỏ chuối. Các chất tinh bột, giàu carbohydrate (nguồn carbon quan trọng trong nhiều quá trình lên men vi sinh vật), được thủy phân để tạo ra các loại đường đơn giản có thể được vi sinh vật tiêu thụ dễ dàng.
- Cơ chất có protein: Thực phẩm và các sản phẩm phụ trong ngành công nghiệp sản xuất loại bánh từ đậu tương, hoa dướng dương, quả điều, cà phê, v.v… là một nguồn dinh dưỡng protein lý tưởng. Bánh dầu, giàu protein (nguồn nitơ quan trọng trong nhiều quá trình lên men vi sinh vật) và được hỗ trợ bởi các chất dinh dưỡng khác như carbohydrate và khoáng chất, cung cấp một loạt các chất thay thế trong LMX để sản xuất các loại enzym khác nhau (ví dụ như protease, lipase, v.v.), một phổ rộng của các chất chuyển hóa thứ cấp, sinh khối, axit hữu cơ và phân bón sinh học trong số các ứng dụng khác.
- Cơ chất là cellulose hoặc lignocellulose: Hầu hết các chất thải nơng nghiệp có chứa hàm lượng cellulose hoặc lignocellulose cao, có khả năng được sử dụng làm cơ chất rắn trong LMX. Chúng bao gồm bã mía, vỏ đậu nành, cám lúa mì, vỏ gạo, thân cây lúa, lõi ngơ, vỏ lúa mạch, bột củ cải đường, rơm lúa mì, rơm lúa mạch và gỗ.
- Cơ chất có đường hịa tan: Cơ chất rắn chứa một lượng đường hịa tan đáng kể có thể thu được từ chế biến trái cây như mật đường, bưởi nho, bưởi táo, vỏ kiwi, vỏ chanh, bưởi đào, chất thải dứa, chất ngọt củ cải đường, bột củ cải đường, vỏ ca cao và bột cà phê.
- Mơi trường xác định và chất mang trơ: Có nhiều chất mang trơ khác nhau có thể được sử dụng để mô phỏng các điều kiện của LMX điển hình như vermiculite, perlite, hạt đất sét, hạt pozzolano (vật liệu núi lửa), cây gai dầu, amberlite, bọt polyurethane (PUF) và polystyrene. Chất mang trơ chứa đầy mơi trường chất lỏng được xác định hóa học, những lợi thế của LMX về hỗ trợ trơ so với LMX trên chất nền rắn tự nhiên: (1) Tăng cường các điều kiện hiếu khí đồng nhất; (2) Cải thiện kiểm sốt và giám sát q trình; (3) Cất mang trơ có ít thay đổi cấu trúc vật lý hoặc thậm chí có thể khơng đổi trong q trình lên men; (4) Cải thiện kiểm soát nhiệt và chuyển khối; (5) Tốc độ bay hơi cao hơn và do đó kiểm sốt nhiệt độ tốt hơn; (6) Kiểm soát tốt hoạt động của nước; (7) Độ co ngót và khe hở là có thể tránh được; (8) Thu hồi sản phẩm ít phức tạp và dễ dàng; (9) Dễ dàng chiết xuất các sản phẩm ngoại bào, ít tạp chất; (10) Cho phép chỉnh sửa chính xác chất lỏng sản sinh ra; (11) Dễ dàng và có thể mơ hình hóa quy trình và kiểm sốt quy trình vì phương tiện sản xuất đã biết và có thể phân tích được; (12) Sinh khối có thể đo trực tiếp được; (13) Thích hợp các điều kiện để phát triển bất kỳ vi sinh vật nào và (14) Chất mang trơ có thể tái sử dụng. Một số chất rắn tự nhiên như bã mía và vỏ trấu có thể được sử dụng làm chất mang trơ do chất dinh dưỡng thấp nhưng độ xốp cao và khả năng hỗ trợ rất tốt về mặt kiểm soát khối lượng và truyền nhiệt.
2. Yếu tố hóa lý
a. Độ ẩm: Yêu cầu nước của vi sinh vật đối với hoạt động của vi sinh vật có thể được biểu thị một cách định lượng dưới dạng hoạt động nước (aw) của môi trường hoặc cơ chất. Aw đưa ra một dấu hiệu về lượng nước tự do trong chất nền và xác định loại vi sinh vật có thể phát triển trong LMX. Giá trị aw cần thiết cho SSF thay đổi tùy thuộc vào vi sinh vật, nhưng thường được khuyến nghị rằng aw đủ để cho phép sự phát triển của sợi nấm thông qua các hạt cơ chất rắn mà không làm phân hủy các hạt. Vi khuẩn chủ yếu phát triển ở giá trị aw cao hơn khoảng 0,9, trong khi nấm men phát triển ở giá trị 0,8 và nấm sợi có thể thích nghi với giá trị aw thấp hơn trong khoảng từ 0,6 đến 0,7. Khi quá trình lên men bắt đầu ở độ ẩm thấp, thì chủng giống bị khơ, phát triển kém và khơng phát triển trước khi q trình lên men kết thúc, do đó, đơi khi bổ sung thêm một lượng nước thích hợp trong suốt giai đoạn lên men và cũng có thể áp dụng khơng khí bão hịa để điều chỉnh độ ẩm của cơ chất.
b. pH: Trong LMX, pH rất khó đo lường và kiểm sốt do cơ chất rắn, hàm lượng nước rất thấp (thiếu nước tự do), không đồng nhất trong các điều kiện của hệ thống và do thiếu (hoặc khơng có) các phương pháp đo pH trực tuyến phù hợp.
c. Nhiệt độ: Vấn đề liên quan đến nhiệt độ phát sinh trong quá trình LMX do nhiệt sinh ra từ hoạt động sống của vi sinh vật và tích tụ trong hệ thống. Nhiệt cần phải được loại bỏ khỏi hệ thống tránh quá nhiệt và do đó làm xáo trộn sự phát triển của vi sinh vật và sự hình thành sản phẩm. Do đó, trong LMX, hầu hết các nghiên cứu về thiết kế thiết bị phản ứng sinh học trạng thái rắn đều tập trung vào tối đa hóa việc loại bỏ nhiệt, nhất là trong các hệ thống quy mơ lớn trong đó sự phát triển nhiệt dẫn đến mất độ ẩm rất lớn và trong những trường hợp này, làm thay đổi sự phát triển của vi sinh vật. Để khắc phục điều này, khơng khí thường được thổi vào hệ thống, để đẩy nhiệt sinh ra qua cửa thốt khí, nhưng tốc độ dịng khí thổi vào hệ thống cần phải được tính đến để tránh mất độ ẩm từ quá trình lên men cơ chất bằng hệ thống làm mát được cài đặt vào hệ thống.
d. Mơi trường khí: Các loại khí quan tâm là oxy và carbon dioxide, oxy phải khuếch tán từ khơng khí đến hạt cơ chất đến sinh khối, nếu cung cấp đủ oxy là cần thiết để duy trì các điều kiện hiếu khí, cịn carbon dioxid phải khuếch tán từ sinh khối đến không gian quanh hạt cơ chất và phải được loại bỏ khỏi hệ thống. Để đáp ứng được u cầu này, ngồi việc sục khí cịn phải chuyển cơ chất lên men thơng qua các quá trình trộn, nhất là các khu vực đáy thiết bị.
e. Sục khí: Vi sinh vật thường thay đổi trong yêu cầu oxy bằng cách phun oxy hoặc khơng khí vào mơi trường lên men. Sục khí đóng hai vai trị quan trọng trong LMX: (1) Đáp ứng nhu cầu oxy trong q trình lên men hiếu khí và (2) Vận chuyển nhiệt và chuyển khối lượng lớn trong một hệ khơng đồng nhất. Ngồi ra, sử dụng khơng khí bão hịa là cách phổ biến để tránh làm khơ cơ chất, duy trì được độ ẩm mơi trường, vì vậy, tốc độ sục khơng bão hịa được kiểm sốt bằng nhiệt độ và độ ẩm của mơi trường rắn.
g. Kích thước hạt: Tính chất kích thước hạt của chất rắn sẽ dẫn đến hình dạng, diện tích có thể tiếp cận, diện tích bề mặt và độ xốp của cơ chất rắn. Yếu tố vật lý quan trọng nhất là kích thước hạt ảnh hưởng đến diện tích bề mặt so với tỷ lệ thể tích của chất rắn, kích thước hạt nhỏ có diện tích bề mặt lớn hơn cho phép sự tiếp xúc đầy đủ của vi sinh vật với các chất dinh dưỡng, nhưng sự khuếch tán oxy sẽ bị ảnh hưởng. Ngược lại, kích thước hạt lớn có diện
tích nhỏ, nhưng sự khuếch tán oxy tốt hơn, do đó, kích thước hạt phù hợp sẽ đáp ứng cả sự tăng trưởng sợi nấm và nhu cầu về oxy và chất dinh dưỡng.
3. Yếu tố cơ học
Khuấy trộn/đảo trộn: đóng vai trị tương tự như sục khí. Ngồi ra, khuấy trộn là một giải pháp thay thế khả thi để giải quyết các vấn đề khơng đồng nhất trong LMX và có thể cải thiện tính đồng nhất, làm khơng khí được phân phối đều hơn giúp cải thiện điều kiện phát triển của vi sinh vật trong toàn bộ đống ủ lên men. Tốc độ khuấy phải phù hợp, tránh ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật. Nhìn chung, quy trình khuấy trộn hoặc đảo trộn khơng phải lúc nào cũng được khuyến khích.
4. Thiết kế đặc biệt của thiết bị phản ứng sinh học
Trong quá trình lên men, thiết bị phản ứng sinh học cung cấp các điều kiện thích hợp cho sự tăng trưởng và hoạt động cho các vi sinh vật, vì vậy, LMX có thể được coi là một hệ thống khép kín. Tại thời điểm t = 0, cơ chất rắn được khử trùng trong thiết bị phản ứng sinh học được cấy vi sinh vật và nuôi cấy trong điều kiện sinh lý tối ưu. Trong tồn bộ q trình lên men, khơng có gì được thêm vào thiết bị phản ứng sinh học ngoại trừ oxy (ở dạng khơng khí), cịn thành phần của mơi trường nuôi cấy, nồng độ sinh khối và nồng độ chất chuyển hóa thường thay đổi liên tục là kết quả của q trình chuyển hóa của các tế bào. Mặc dù tính khơng đồng nhất của cơ chất trong thiết bị phản ứng sinh học, nhưng có một số thơng số như vận chuyển oxy và nhiệt trao đổi liên quan đến sục khí / khuấy trộn, độ ẩm, nhiệt độ và loại vi sinh vật và cơ chất rắn được sử dụng, có liên quan đến thiết kế cụ thể của thiết bị phản ứng sinh học thích hợp cho từng q trình lên men cụ thể.