Q trình lên men được bắt đầu từ khí cấy tiếp giống từ từ bình nhân giống vào bình lên men đã có mơi trường ni cấy thích hợp đã được khử trùng và khử trùng đồng bộ hệ thống thiết bị lên men (xem Mục 3.3, chương 3). Các chỉ tiêu cần theo dõi là động học của quá trình lên men gián đoạn (hệ kín) trong mơi trường ni cấy chìm (xem Hình 1.10 và Hình 1.11).
Hệ “kín” ở đây có nghĩa là môi trường không đổi mới. Khi cấy vào môi trường dinh dưỡng, vi khuẩn sẽ sinh sôi nẩy nở cho đến lúc hàm lượng một chất nào đó cần thiết cho chúng ở môi trường giảm đến mức thấp nhất, khi đó sự sinh trưởng, phát triển của vi khuẩn giảm dần và đình trệ, mặc dù tế bào vẫn tiếp tục vài lần phân chia, nhưng cho các thế hệ tế bào bé hơn và khối lượng nhỏ hơn. Nếu trong cả thời kỳ đó, chất dinh dưỡng khơng được bổ sung thêm và các sản phẩm trao đổi chất cũng được loại bỏ thì ta có quần thể tế bào trong khơng gian sống có giới hạn. Sự sinh trưởng trong hệ “kín” như vậy phải tuân theo những quy luật chi phối khơng chỉ với cơ thể đơn bào mà cịn đối với cả cơ thể đa bào nữa.
Động thái của quá trình sinh trưởng của vi khuẩn trong hệ “kín” có thể biểu thị bằng đồ thị (hình 1.10). Đồ thị này được biểu thị sự phụ thuộc của log số tế bào với thời gian. Đồ thị này có thể chia thành bốn pha liên tiếp, có thể tóm tắt các pha như sau:
a. Pha lag (tiền phát):là pha tính từ lúc bắt đầu cấy đến khi vi khuẩn đạt được tốc độ sinh trưởng cực đại. Trong pha lag vi khuẩn chưa phân chia (nghĩa là chưa có khả năng sinh sản), nhưng thể tích và khối lượng tế bào vi sinh vật tăng lên do quá trình sinh tổng hợp các chất diễn ra mạnh mẽ. Một số enzyme xúc tác cho quá trình phân giải tăng, tế bào chất tăng.
Hình 1.10: Đường cong sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật (Theo Orbit Biotech).
Ở pha lag, số lượng tế bào (X) không tăng, tức là bằng Xođược đặc trưng khi x = 0, khi đó: dx/dt = x .x = 0. Độ dài của pha lag phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
- Tuổi của giống: Tuổi của quần thể giống cấy vào môi trưởng nuôi mà chúng đang ở giai đoạn sinh trưởng nào ảnh hưởng rõ rệt đến pha lag. Thực nghiệm trong môi trường và điều kiện nuôi cấy như nhau cho thấy, nếu cấy giống đang ở pha log (pha sinh trưởng phát triển theo luỹ thừa) thì pha lag sẽ ngắn. Ngược lại, nếu giống cấy ở pha lag hay pha suy thối thì pha lag sẽ kéo dài. Thơng thường tế bào càng già thì pha lag càng dài. Trong pha lag diễn ra việc xây dựng lại các tế bào ở giai đoạn nghỉ thành các tế bào sinh trưởng logarit (sinh trưởng theo luỹ thừa).
- Lượng giống cấy: Nói chung lượng giống cấy nhiều thì pha lag ngắn và ngược lại. Trong công nghiệp lên men, tỷ lệ giống cấy vào môi trưởng lên men thường ở mức 1/10.
- Thành phần môi trường: Thơng thường mơi trường có thành phần giàu dinh dưỡng (mơi trường có cơ chất tự nhiên) thì pha lag ngắn. Trong công nghiệp lên men, người ta sử dụng thành phần môi trường lên men không khác nhiều so với môi trường nhân giống.
b. Pha log (tăng tốc):là pha vi khuẩn sinh trưởng và phát triển theo lũy thừa, nghĩa là sinh khối và số lượng tế bào tăng theo phương trìnhN= No. 2ct hay X = Xo. ct. Kích thước của tế bào, thành phần hố học, hoạt tính sinh lý v.v… nói chung khơng thay đổi theo thời gian. Tế bào ở trạng thái động học và được coi như là “những tế bào tiêu chuẩn”. Ở pha log, x tăng theo thời gian theo cấp số nhân và ln X tỷ lệ thuận với thời gian, ở suốt pha này thì hằng số sinh trưởng x là không đổi và cực đại đối với điều kiện nuôi cấy cụ thể và đối với một chủng vi sinh vật nhất định. Như vậy thì:X = (ln X2– ln X1) / (t1– t2)
c. Pha cân bằng: Số lượng vi sinh vật đạt đến cực đại và không đổi theo thời gian. Số tế bào mới sinh ra bằng số tế bào chết đi. Chính ở pha nàyx= 0, do đó: dx/dt = 0
d. Pha suy vong:Trong pha này, số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo luỹ thừa. Số lượng vi sinh vậtxgiảm dần, tế bào tự phân giải do các enzyme nội bào và các chất ngoại bào. Người ta có thể xác định tỷ suất chết của quần thể.
Thời gian của quá trình quá trình sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật còn phụ thuộc vào thời gian thế hệ của từng loại vi sinh vật.
Ngoài theo dõi động thái sinh trưởng phát triển của vi sinh vật, còn theo dõi động thái quá trình lên men (Hình 1.11): Sự biến động của pH, nguồn cacbon, nguồn nitơ, nồng độ oxy hòa tan, hàm lượng các sản phẩm (các loại
Hình 1.11: Động thái lên men sinh tổng hợp vancomycin của Streptomyces orientalis trong bình lên men Bioflo 5000
enzyme, các chất trao đổi bậc sơ cấp, các chất trao đổi thứ cấp, v,v,,). Theo lý thuyết, các sản phẩm là các chất trao đổi thứ cấp thường sinh ra nhiều hơn, khi đồ thị sinh trưởng, phát triển trước khi chuyển sang pha cân bằng, còn các sản phẩm là các chất trao đổi thứ cấp đạt cực đại sau khi đã chuyển sang pha cân bằng.