- 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
3.3.1.2. Hệ thống thiết bị lên men trên môi trường xốp (trạng thái rắn)
Trong phương pháp nuôi cấy bề mặt, vi sinh vật được phát triển trên bề mặt môi trường rắn hoặc lỏng. Các môi trường rắn trước khi nuôi cấy vi sinh vật cần được làm ẩm. Nguyên liệu thường dùng làm môi trường là cám gạo, đôi khi dùng gạo tấm, ngô, bã bia, bã củ cải đường, khoai tây, lõi ngô... hoặc hỗn hợp các nguyên liệu này.
Trong lên men công nghiệp, vi sinh vật phát triển và hình thành sản phẩm trên bề mặt cơ chất rắn, ví dụ như lên men bằng cách ni cấy nấm lớn, làm chín phomat nhờ nấm mốc, các loại giống khởi động, v.v… Gần đây, phương pháp này đã được sử dụng để sản xuất các enzyme ngoại bào, các hợp chất hóa học có giá trị, độc tố nấm và bào tử nấm (được sử dụng để chuyển hóa sinh học).
Ví dụ, các loại nấm sợi được sử dụng cho lên men trên môi trường xốp ở mức độ cơng nghiệp thường là hiếu khí bắt buộc (Bảng 3.4), nhưng ứng dụng thương mại của quá trình này cho sản xuất sinh hóa chủ yếu được giới hạn ở Nhật Bản.
Bảng 3.4: Một số ví dụ về lên men xốp được sử dụng thương mại hóa ở Nhật
Sản phẩm Cơ chất Chi vi sinh vật Sản phẩm Ghi chú
Nước tương
(Shoyu) Đậu tương, lúa mỳ Aspergillus soyaehoặcA. oryzae Thực phẩm Chế biến tiếp
Hamanatto Đậu tương, lúa mỳ Aspergillussp. Thực phẩm Chế biến tiếp Miso Gạo/lúa mạch, đậu
tương A. oryzae Thực phẩm Chế biến tiếp
Sufu Tofy Actinomucorsp. Thực phẩm Chế biến tiếp
Tempeh Đậu tương Rhizopus spp (R.
oligosporus) Thực phẩm Không chếbiếp tiếp
Cellulase* Cám Thrichoderma reesei Enzyme
Axit citric Chất dư thừa chế
biến rau quả Asperillus niger Axit hữu cơ
Amylase* Gạo A. oryzae Enzyme
* Các enzym được sản xuất đã thương mại hóa; các enzyme khác như pectinase, protease và lipase.
Lên men trên môi trường xốp được chia thành hai nhóm: (a) Chất rắn có độ ẩm thấp được lên men mà có hoặc khơng cần khuấy trộn liên tục và (b) Chất rắn lơ lửng lên men trong các cột được đóng gói qua đó chất lỏng được lưu thông.
Nguyên liệu làm môi trường hay dùng là cám, nhất là cám mì có tương đối đầy đủ chất dinh dưỡng và khi làm ẩm sẽ tạo ra mơi trường rất thích hợp cho nấm mốc phát triển, sinh ra nhiều enzyme. Để đảm bảo đầy đủ chất dinh dưỡng trong môi trường người ta bổ sung thêm các nguồn nitơ, phospho, kali hoặc các chất kích thích sinh trưởng như mầm mạ, nước khoai tây, cao ngô.... Độ ẩm mơi trường ni cấy thích hợp nhất là 58-60%, nếu quá ướt môi trường sẽ bết lại, dễ bị nhiễm khuẩn, nếu khơ q dưới 40% nấm khó phát triển dễ sinh bào tử và sản sinh ít enzyme. Trong q trình ni, mơi trường dễ bị khơ do hơi nước dễ thoát ra, cho nên cần giữ độ ẩm khơng khí phịng ni khoảng 90-100%. Sau khi chuẩn bị xong, môi trường được hấp thanh trùng ở 1 đến 1,5 atm bằng hơi nóng trong 45-60 phút. Mơi trường được đưa vào các khay nuôi với độ dày của mơi trường khoảng 2,5 đến 3 cm, sau đó cấy giống vào
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống lên men trên môi trường lên men xốp trong
khay
khay với tỷ lệ giống cấy khoảng 0,2-2%. Nhiệt độ phịng ni thích hợp từ 25-30oC tùy từng loại giống vi sinh vật. Có những loại vi sinh vật ưa nhiệt thì nhiệt độ ni cần phải cao hơn.
2. Hệ thống thiết bị lên men trên môi trường xốp
Hệ thiết bị lên men trên môi trường xốp rất đa dạng từ đơn giản đến phức tạp tùy theo nhu cầu sản xuất. Ví dụ, đơn giản như quá trình ủ mốc (từ bánh men) trên mẹt, sàng để đường hóa tinh bột trong q trình làm rượu thủ cơng hay q trình thủ cơng như đánh đống chất thải ủ thành phân bón hữu cơ sản xuất trong sản xuất nông nghiệp không cần khử trùng mơi trường lên men. Trong phịng thí nghiệm, để đảm bảo vô trùng, người ta sản xuất enzyme trên môi trường xốp vơ trùng trong bình tam giác để thu nhận enzyme (Hình 3.1)
Hình 3.1: Các bước lên men trên mơi trường xốp để thu nhận enzyme từ nấm Aspergillus niger quy mơ phịng thí nghiệm.
Trong cơng nghiệp, người ta thường sử dụng 2 loại thiết bị để lên men sản xuất trên môi trường xốp.
a. Thiết bị lên men cố định
Lên men trên môi trường xốp sử dụng các khay cố định trong phịng ni xem hình 3.1 và 3.2. Khơng khí được sử dụng để kiểm sốt nhiệt độ và độ ẩm bằng cách dịng khơng khí được lưu thơng qua các chất rắn trong khay ni được xếp chồng lên nhau. Kết thúc q trình lên men người thu nhận mơi trường xốp đã lên men và làm mẻ lên men mới (lên men gian đoạn).
b. Thiết bị lên men đảo trộn mơi trường lên men xốp
Hình 3.2: Thiết bị lên men trên mơi trường xốp khơng đảo trộn.
Thiết bị lên men có khay lên men được quay (Hình 3.3) hoặc có cánh khuấy (Hình 3.4) để đảo trộn môi trường lên men làm tăng khả năng cung cấp oxy cho quá trình lên men. Nhiệt độ và độ ẩm được kiểm soát chặt chẽ trong thiết bị lên men đảm bảo cho quá trình lên men tốt hơn. Bằng thiết bị lên men như vậy, có thể thực hiện được q trình lên men liên tục.
Hiện nay, quá trình sản xuất bằng phương pháp lên men bề mặt đã được cơ khí hóa ở mức độ sản xuất cơng nghiệp. Sau đây là một ví dụ về “Sơ đồ q trình cơng nghệ sản xuất enzyme bằng phương pháp bề mặt trên mơi trường xốp (bán rắn) được trình bày trên hình 3.5.
Những năm gần đây, phương pháp ni mốc bề mặt được cải tiến: Nuôi trong thùng quay, nuôi trong lớp dày mơi trường có thổi khí, ni trong buồng ni được cơ khí hóa có
Hình 3.5: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất các chế phẩm enzyme thô trên môi trường xốp. 1. Thùng nhận nguyên liệu; 2. Định lượng; 3. Cyclon; 4. Nồi thanh trùng nước; 5. Nồi thanh trùng nguyên liệu; 6. Thiết bị nhân giống; 7. Nạp nguyên liệu; 8. Bộ phận tự động phân chia nguyên liệu; 9. Thiết bị chuẩn bị dung dịch muối khoáng; 10. Thiết bị phối trộn; 11. Nồi thanh trùng môi trường; 12. Phin lọc khơng khí sạch; 13. Thiết bị tán nhỏ; 14. Lọc thơ; 15. Lọc vi khuẩn; 16. Calorife; 17. Máy tạo ẩm khơng khí; 18. Thùng chứa mơi trường nhân giống nấm; 19. Cơ cấu vận chuyển; 20. Thiết bị sấy và nghiền; 21. Lọc; 22. Bơm chân không; 23. Thùng chứa môi trường đã nuôi cấy; 24. Thùng chứa chất bổ sung; 25. Máy nghiền trộn; 26. Thùng chứa chế phẩm; 27. Máy đóng gói tự động.
Hình 3.3: Sơ đồ thiết bị lên men trên mơi trường xốp trong khay có đảo trộn (để chuyển hóa sinh
khối lignocellulose thành enzyme)
Hình 3.4: Lên men trên mơi trường xốp trong khay có khuấy trộn.
những rãnh thẳng đứng (chi tiết xem mục 4.1.2.3). Tuy nhiên, phương pháp nuôi trên khay vẫn tiện lợi và đơn giản, được áp dụng phổ biến.