1. Do nguồn nguyên liện sản xuất
Nguồn nguyên liệu đề cập đến loại cây trồng hoặc sản phẩm, như dầu thực vật thải, mà nó được sử dụng như là nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học hay chuyển đối thành nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học. Mỗi loại nguyên liệu có ưu và nhược điểm nhất định cho sinh trưởng và nhu cầu năng lượng của vi sinh vật, sử dụng như thế nào để cho năng suất mong muốn là cần quan tâm nghiên cứu.
Nguyên liệu cụ thể được xem xét bao gồm: Phế thải nơng nghiệp (vật liệu cịn sót lại từ cây trồng như các thân cây, lá và vỏ cây); chất thải lâm nghiệp (gỗ thừa và mùn cưa từ các nhà máy gỗ xẻ, những cây bị chết và cành cây); chất thải sinh hoạt (rác thải hộ gia đình và các sản phẩm giấy); chất thải chế biến thực phẩm và các ngành công nghiệp khác (nấm men, malt, phụ phẩm sản xuất giấy) và cây trồng năng lượng (cây và cỏ phát triển nhanh) cũng được phát triển cho mục đích này.
Nếu q trình lên men được thực hiện mà khơng có bất kỳ hình thức hỗ trợ xử lý sinh khối, sẽ hạn chế khuấy hoặc sục khí, thì chỉ tiếp cận ở 3-7% (trọng lượng/ thể tích) trọng lượng sinh khối khơ. Nếu khơng đề xuất hình thức hỗ trợ sinh khối thì khơng vượt qua giới hạn này.
Hỗ trợ sinh khối cho phép các vi sinh vật yếm khí phát triển chậm duy trì trong một bình lên men ở nồng độ cao. Ví dụ, lignocellulose như chất mang sinh khối cho sản xuất axit lactic bằng cách lên men trên môi trường xốp (trạng thái rắn).
a) Nếu q trình lên men được thực hiện mà khơng có bất kỳ hình thức hỗ trợ sinh khối, hạn chế khuấy hoặc sục khí thì chỉ đạt 3-7% (w/v) trọng lượng sinh khối khơ.
b) Trong thực tế, q trình lên men vi khuẩn sản xuất protein đơn bào chất huyền phù đạt 3% (w/v), ở đó nồng độ chất huyền phù đạt 60% (w/vol) sinh khối ướt và 40% chất lỏng.
c) Theo tiêu chuẩn, nồng độ các sản phẩm cho quá trình thu hồi, dựa trên các q trình hóa học thơng thường, được trình bày trên bảng 1.2. Dựa trên dữ liệu này để lựa chọn các bước của quá trình thu hồi và xử lý loại bỏ hay tái sử dụng bùn thải hợp lý.
Bảng 1.2: Nồng độ các sản phẩm tiêu biểu trong dịch lên men chuyển sang giai đoạn thu hồi
Sản phẩm Nồng độ (g/l)
Aceton, butanol/ Etanol 18-20
Các chất kháng sinh, ví dụ penicillin G 10-30
Cyanocohalamin 0,02
Enzyme (Eg Serum Proteases) 2-5
Etanol 70-120
Lipid 10-30
Axit hữu cơ (vi dụ, axit citric, axit lactic) 40-100
Riboflavin 10-15
Protein đơn bào (nấm men, trọng lượng sinh khối khô) 30-50
d) Môi trường lên men thường không ổn định, nếu khơng kiểm sốt tốt dễ bị nhiễm trùng, do đó sinh khối có thể tăng trưởng mạnh, nhưng nồng độ sản phẩm trong môi trường
lên men lại giảm đáng kể, làm thay đổi tính chất vật lý cuat dịch lên men ảnh hưởng đến quá trình thu hồi sản phẩm.
e) Tương tự quá trình thu hồi sau khi lên men chậm cũng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm trong qua trình thu hồi, do vây cần thiết phải bảo quản dịch lên men (ở khoảng 5oC) ngay sau khi kết thúc quá trình lên men, nhất là các enzyme và các sản phẩm có khối lượng nhỏ trong dịch lên men. Thời gian suy giảm đáng kể sản phẩm xảy ra sau 20 phút ở nhiệt độ lên men.
2. Tính chất của sản phẩm
Hoạt động và trình tự quá trình thu hồi dựa vào điều kiện thực tế và yêu cầu sử dụng sản phẩm, nó được điều chỉnh chủ yếu bởi một số yếu tố đơn giản.
a) Nếu một sản phẩm là nội bào, thì cần có bước phá vỡ tế bào thì mới chiết xuất được. Nếu sản phẩm là chất hòa tan trong nước, sau khi nghiền sinh khối hình thành bùn nhão, ổn định về mặt hóa học thì sản phẩm ở dạng hòa tan cho phép thực hiện hàng loạt các hàng loạt các hoạt động thu hồi.
b) Tỷ lệ lớn các chế phẩm vi sinh vật mẫn cảm với hóa chất, thì phải quan tâm đên việc sử dụng các chất phản ứng, pH và nhiệt độ. Sản phẩm là chất rắn cũng có vấn đề trong q trình thu hồi, cụ thể các chất rắn thông thường phải được thu hồi mà không bị ơ nhiễm do thiết bị hỗ trợ trong q trình phân tách.
c) Nhiều chất không cần phải tách chiết thành nguyên liệu tinh khiết, quá trình lên men cồn, enzyme và một số loại dược phẩm (vi dụ một số loại vaccin). Tuy nhiên, cũng cần loại bỏ các chất có các đặc tính khơng mong muốn, ví dụ như chất pyrogen -chất gây sốt trong trong các dược phẩm tiêm và axit nucleic trong trường hợp các protein đơn bào cho người tiêu dùng.
d) Vấn đề chính phát sinh khi phân tách các thành phần đặc hiệu từ các vật liệu có tinh chất hóa học và lý học tương tự khác là cần thiết (ví dụ, tách chiết các enzyme sạch khỏi các protein khác) trong trường hợp phải sử dụng hiệu ứng hóa lý đặc hiệu của sản phẩm.
e) Một ví dụ nổi bật về hạn chế của phương pháp có sẵn để thực hiện quy trình đã lựa chọn là sản xuất rượu, đó là etanol và các hợp chất hữu cơ hịa tan dễ bay hơi khác mà qua phương pháp chưng cất chỉ là bước phân tách sơ bộ của quá trình thu hồi các sản phẩm thương mại.
3. Xử lý nước thải và tái chế bùn
a) Q trình xử lý nước thải và quay vịng bùn thải, nhìn chung khơng khác so với các q trình xử lý nước thải của các cơng nghiệp khác, ngoại trừ hoạt động quy mô lớn.
b) Thể tích bùn nhận được là lớn (ví dụ: 4500m3/ngày cho 50.000 tấn/protein đơn bào năm). Theo Somejina et al. (1997), BOD (nhu cầu oxy sinh học) dao động từ 10.000 đến 30.000 ppm, so với 250 ppm dịng nước thải vào mùa khơ điển hình cho nhà máy xử lý nước thải đơ thị. Tuy nước thải có nhu cầu oxy cao, nhưng bùn thải lại không khác so với chất thải khác.
c) Một vấn đề cũng cần xem xét sự xuất hiện các sinh vật gây bệnh và các chất có hoạt tính sinh lý cần xử lý và kiểm soát, đảm bảo các mối nguy hiểm được loại bỏ trước khi thải vào môi trường chung.
d) Tái chế bùn cho lên men là hấp dẫn, ở chỗ nó thu nhận các vật liệu khơng tiêu thụ được trong môi trường lên men và hạn chế tối đa chất thải ra môi trường, mà sử dụng để sản xuất protein đơn bào hay etanol.