- 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. Lên men hiếu khí trên nguyên liệu rắn-xốp (LMX)
4.1.2.1. Khái niệm
1. Lịch sử phát triển công nghệ LMX
Lên men trên mơi trường rắn-xốp (cịn gọi lên men trạng thái rắn) đã được thực hiện trong nhiều thế kỷ ở các nước Châu Á, ở cả ứng dụng quy mô lớn và nhỏ trong chế biến thực phẩm và sản xuất thực phẩm lên men truyền thống như đậu tương lên men (nước tương, annatto, miso, v.v.) và gạo lên men (tapai, koji, gạo lên men đỏ, ủ rượu gạo sake), một số sản phẩm này đã tồn tại hàng nghìn năm dựa trên kinh nghiệm của người dân.
Bảng 4.2: Lịch sử phát triển các sản phẩm của LMX(Manan MA & Webb C, 2017).
Thời gian Sản phẩm
Trước Cơng ngun
Làm bánh mì của người Ai Cập; làm phomat nhờPenicillium roqueforti,
Nước chấm, koji
Thế kỷ 7 Axit kojic được giới thiệu ở Nhật Thế kỷ 16 Trà lên men
Thế kỷ 18 Giấm từ bưởi, axit gallic trong thuộc da, in ấn 1860-1900 Xử lý nước thải
1900-1920 Sản xuất enzyme vi nấm, enzyme vi sinh vật, axit kojic; Phát triển thiết bị lên men dạng trống có nén khí
1920-1940 Sản xuất axit gluconic, axit citric; Phát triển thiết bị lên men dạng trống 1940-1950 Phát triển công nghiệp lên men mạnh mẽ; Sản xuất penicillin
1950-1960 Chuyển hóa steroid
1960-1980 Sản xuất thực phẩm giàu protein và mycotoxin; Phát triển nghien cứu cơ bản của LMX, quá trình sinh học và sản phẩm sinh học: (a) Quá trình sinh học: Xử lý sinh học, phân hủy sinh học các vật liệu nguy hại, giải độc sinh học các chất thải cơng- nơng nghiệp, chuyển hóa sinh học cây trồng và phế thải cây trịng làm phân bón giàu dinh dưỡng, v.v… và (b) Sản phẩm: Các hợp chất có hoạt tính sinh học: Aflatoxin, ochratoxin, nội độc tố vi khuẩn, axit gibberellic, zearalenone, ergot alkaloids, penicillin, cephalosporin, cephamycin C, tetracycline, chlorotetracycline, oxytetracycline, iturin, actinorhodin, methylenomycinn, surfactin, monorden, cyclosporine A, ustiloxins, antifungal volatiles, destrucxin A & B, axit clavulonic, axit mycophenolic
1990-2000 Các loại enzyme khác nhau: Cellulase, glucosidase, CMCase, laccase, xylanase, polygalacturonase, ligninase,xylosidase, α-arabino-furonosase, arabinofuronosase trung tính và kiềm, lipase, α-galactosidase,galactosidase, α-amylase, α-amylase, glucoamylase, glutaminase, inulinase, phytase, tannase, feruloyl para-coumaroyl ester, v.v.
Axit hữu cơ: Axit citric, axit fumaric, axit lactic, axit oxalic, axit gallic
Các sản phẩm khác: Axit L-glutamic, sắc tố, caroten, kẹo cao su xanthan, succinoglycan, ethanol, hợp chất hương liệu, vitamin B-12 và B-6, riboflavin, thiamine, axit nicotinic, axit nicotinamide, axit gamma-linolenic, chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu sinh học / thuốc diệt cỏ sinh học.
2000-đến nay
LMX như là một quy trình mới để tạo nguyên liệu cho các quy trình sản xuất sinh học
Qua khảo cổ học người ta phát hiện kỹ thuật làm bánh mỳ là một trong những kỹ thuật lâu đời nhất mà con người biết đến bằng LMX ở Ai Cập cổ đại ngay từ đầu năm 2600 trước Công nguyên, một thành phần quan trọng trong chế độ ăn uống hàng ngày của phần lớn các gia đình trong khu vực, đó là nguồn protein và vitamin. Tuy nhiên, mức độ công nghệ truyền thống thấp trong việc chuẩn bị nguyên liệu, thiếu vệ sinh, thiếu biện pháp bảo vệ tích hợp chống vi khuẩn sinh độc tố, nên ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Q trình lên men đó được thực hiện từ thời cổ đại và hầu hết các quy trình vẫn được thực hành mà khơng có bất kỳ sửa đổi lớn nào, các kỹ thuật được áp dụng rất đơn giản, chủ yếu chỉ cần nguyên liệu thô, tiền xử lý cơ chất đơn giản được lên men, cho nên cần có sự hiểu biết cơ bản hơn, các nghiên cứu chuyên sâu cả về khoa học cũng như cơng nghệ của kỹ thuật LMX.
Bảng 4.2 trình bày lịch sử phát triển sản phẩm của LMX từ quá khứ đến hiện tại và tương lai cho thấy, cơng nghệ LMX đã đóng góp nhiều sản phẩm cho con người kể từ khi bắt đầu nền văn minh của con người và trong những năm gần đây, ứng dụng và phát triển công nghệ LMX đã mở rộng đáng kể đặc biệt là ở các nước phương Tây, vì những lợi thế của nó trong việc sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp và thực phẩm mới. Những nghiên cứu chi tiết trong các phịng thí nghiệm đã giúp hiểu và thấy được bản chất hóa học và vi sinh trong q trình lên men. Một số quy trình LMX truyền thống quy mơ nhỏ ban đầu đã trở thành các ngành công nghiệp quy mơ lớn nhờ nghiên cứu những yếu tố có lợi cho sản xuất quy mơ lớn.
Trong tương lai, LMX có thể trở nên quan trọng, khi trở thành cơng nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học, thay thế các nguồn tài nguyên dầu mỏ đang suy giảm, đó là sự nỗ lực, cũng là áp lực lớn để tiến tới các nhà máy hóa sinh cơng nghiệp. Điều này có thể đạt được, vì cơng nghệ LMX mang lại lợi thế và tiềm năng để giảm thiểu việc bổ sung nước và tối ưu hóa q trình sản xuất trong các nhà máy sinh học. Trước hết, để đáp ứng các yêu cầu của LMX như một công nghệ tiềm năng, cần phải sản xuất các thiết bị LMX quy mô lớn, hiệu quả với hiệu suất tối ưu, phù hợp với từng quá trình lên men cấp độ công nghiệp.
2. Định nghĩa lên men trên môi trường xốp (LMX)
Nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này đã giới thiệu những cách riêng để xác định LMX: Pandey et al. (2000) định nghĩa LMX là nuôi cấy vi sinh vật trên chất rắn ẩm, trên chất mang trơ hoặc trên cơ chất khơng hịa tan làm nguồn carbon và năng lượng; Mitchellet al. (2000) mô tả LMX là bất kỳ q trình nào trong đó chất nền ở trạng thái hạt rắn
được sử dụng, trong khi Viniegra-Gonzàlez (1997) định nghĩa LMX là một quá trình vi sinh vật xảy ra chủ yếu trên bề mặt vật liệu rắn có đặc tính để hấp thụ hoặc chứa nước, với hoặc khơng có chất dinh dưỡng hịa tan; Rahardjo et al.(2006) đã đưa ra định nghĩa, LMX là sự phát triển của vi sinh vật trên chất rắn được làm ẩm, trong đó có đủ độ ẩm để duy trì sự phát triển và trao đổi chất của vi sinh vật, nhưng khơng có nước tự do và khơng khí chuyển động liên tục trong giai đoạn lên men và Rosaleset al.(2007) đã đưa ra một định nghĩa đơn giản về LMX là sự phát triển của vi sinh vật trên các cơ chất rắn hoặc bán rắn hoặc chất mang.
Sau đó, Mitchell et al. (2011) đã định nghĩa, LMX là một quá trình liên quan đến sự phát triển của vi sinh vật trên các hạt vật liệu rắn ẩm trong đống ủ, mà trong đó, khoảng trống giữa các hạt được lấp đầy bằng một pha khí liên tục và Thomaset al.(2013) định nghĩa, LMX là một q trình ba pha, khơng đồng nhất, bao gồm các pha rắn, lỏng và khí, mang lại lợi ích tiềm năng để nuôi cấy vi sinh vật để phát triển quy trình sinh học và sản phẩm.
Trong định nghĩa mới nhất, Ashok et al. (2017) định nghĩa LMX là một q trình liên quan đến việc ni cấy vi sinh vật trên cơ chất rắn với độ ẩm tối thiểu.
Dù định nghĩa là gì, chúng ta có thể hiểu rằng, LMX đang đề cập đến quá trình lên men vi sinh vật diễn ra trong điều kiện khơng có hoặc gần khơng có nước tự do, do đó gần với mơi trường tự nhiên mà các vi sinh vật được chọn, đặc biệt là nấm thích nghi điều kiện tự nhiên.
3. Những ưu điểm của LMX
Những lợi thế khác nhau đã được xác định thơng qua các tài liệu có thể được mơ tả dựa trên các tiêu chí khác nhau, cụ thể là: (a) Lợi thế sinh học, (b) Lợi thế gia công, (c) Lợi thế môi trường và (d) Lợi thế kinh tế được trình bày trên bảng 2 cho thấy, LMX được xem như một công nghệ hữu hiệu cho việc xử lý sinh học và phân hủy sinh học các hợp chất nguy hại cũng như tái chế chất thải nông-công nghiệp và bảo quản sinh khối. Hơn nữa, LMX là một công nghệ đầy hứa hẹn và đáng tin cậy để phát triển các sản phẩm công nghệ sinh học khác nhau. Những lợi thế nhận thấy được của LMX:
a. Lợi thế về sinh học đã được chứng minh trong sản xuất enzyme đáng chú ý
- Sản phẩm được sản xuất với số lượng lớn; năng suất và độ ổn định của sản phẩm cao hơn, khơng bị ức chế dị hóa và dung sai nồng độ cơ chất cao.
- Nguyên liệu sản xuất thơ tự nhiên, khơng kiểm sốt chặt chẽ quá trình lên men, cấp khí dễ dàng hơn, nhu cầu nước thấp giúp giảm thiểu ô nhiễm và không sinh bọt.
Trong thực tế, sản xuất enzyme từ nấm mốc có thể sử dụng bào tử để nhân giống, việc bảo quản trong một thời gian dài và sử dụng lại nhiều lần.
b. Lợi thế về quá trình chế biến đã được chứng minh trong sản xuất enzyme
- Thiết bị phản ứng sinh học thường có khối lượng nhỏ và nhỏ gọn, khối lượng tải cơ chất cao hơn nhiều.
- Cơ chất sinh trưởng từ tự nhiên, tỷ lệ đơn giản và chưa tinh chế, tiền xứ lý và xử lý đơn giản, tách chiết sản phẩm địi hỏi ít dung mơi hơn, q trình khơng liên quan đến hóa chất chống bọt.
c. Lợi thế về mơi trường
Giảm thiểu việc tạo ra các chất ô nhiễm hoặc chất thải có hại trong q trình sản xuất sản phẩm, ít chất thải lỏng và giải quyết vấn đề chất thải như giải độc sinh học
d. Lợi thế về kinh tế
Cơ chất thường là nguyên liệu tự nhiên: nguồn carbon không thể sử dụng, đa dạng và phong phú như chất thải nông nghiệp và thực phẩm. Thiết bị phản ứng sinh học được chế tạo đơn giản, rẻ tiền và thân thiện với người dung. Chi phí thu hồi hồi thấp. Quá trình LMX rất hấp dẫn từ quan điểm kinh tế và đã được chứng minh là khả thi về mặt kinh tế.
4. Nhược điểm của LMX
Mặc dù LMX có một số lợi thế nhất định, nó cũng gặp phải một số nhược điểm cần quan tâm nghiên cứu trong phịng thí nghiệm đã giúp tìm hiểu những thay đổi mật hóa học và vi sinh sinh vật học xảy ra trong quá trình lên men. Từ cơng nghệ lên men truyền thống để chế biến thực phẩm lên men đến sản xuất các sản phẩm cơng nghệ sinh học có giá trị, LMX có tiềm năng to lớn cho khai thác cơng nghiệp chủ yếu sản xuất sinh khối và enzyme. Một số nhược điểm của LMX đã xác định và cần khắc phục được tóm tắt như sau:
a. Các vấn đề kỹ thuật do sự tích tụ các yếu tố nhiệt độ, kiểm sốt pH, vận chuyển oxy, vận chuyển khối lượng và truyền nhiệt, sự dao động của cơ chất và độ ẩm và sự phân bố không đồng đều của khối lượng tế bào, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH và độ ẩm cần được đo đồng bộ các yếu tố nhiệt độ, oxy và carbon dioxide trên mạng và sử dụng chúng để kiểm sốt hệ thống.
b. Khó sục khí ổn định trong tồn bộ cơ chất, cho nên cần kiểm sốt bằng sục khí cưỡng bức, có thể kiểm sốt nhiệt độ.
c. Nhiệt thu được từ quá trình trao đổi chất và sinh trưởng của vi sinh vật làm tăng nhiệt độ của chất rắn và làm mất độ ẩm hoặc tạo ra cơ chất lỏng. Để khắc phục phải xây dựng mức dao động nhiệt độ có khả năng loại bỏ nhiệt trao đổi chất.
d. Khó đo được sinh khối cho sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật thì phát triển các phép đo trực tuyến và sử dụng chúng để kiểm soát hệ thống.
g. Nghiên cứu sinh trưởng và động học vẫn cịn khó khăn, mặc dù thơng tin là biến số, nhưng nó vẫn cịn hạn chế và phân tán, cần mơ hình tốn học để dự đốn hiệu quả và tối ưu hóa dữ liệu cho quá trình lên men.