CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Chủng giống
3.4. Nghiên cứu phương pháp sục khí nitơ làm giảm áp suất khí trong bình nuôi cấy để tăng hàm lƣợng hydro
Sự sản xuất hydro trong nuôi cấy theo mẻ bị ức chế bởi sự giảm nhanh pH và bị ức chế bởi áp suất riêng phần hydro (Nguyen và cs 2010; Levin và cs 2004;
Kaushik và Debabrata, 2004). Khi lượng hydro trong headspace đạt đến giá trị mà bị ức chế nhiều hơn là sản xuất thì phương pháp sục khí nitơ được áp dụng để làm giảm áp suất riêng phần hydro, khiến cho sự tạo thành hydro được tiếp diễn. Cùng với phương pháp sục khí nitơ thì phương pháp kiểm soát pH cũng được áp dụng để duy trì sự tạo thành tối đa hàm lượng hydro. Bởi vì pH tối ưu cho sự phát triển của chủng vi khuẩn DSM 4359 là khoảng 7-7.5. Nhưng khi pH giảm xuống dưới 6 thì sẽ cản trở sự phát triển và sinh hydro của chủng vi khuẩn này.
Hai chu kì sục khí nitơ được thực hiện sau 96h và 153h nuôi cấy, sục trong năm phút với tốc độ 50ml/phút, trong khi đó, pH được điều chỉnh đồng thời từ 6.6 đến 7.5 và 6.8 đến 7.5 bằng NaOH. Kết quả được thể hiện trong Bảng 3.7.
48
Bảng 3.7. Cải thiện sản lượng hydro bằng phương pháp sục khí nitơ kết hợp với sự kiểm soát pH
Các thông số (cuối quá trình nuôi cấy)
Thể tích môi trường nuôi cấy 40ml trong bình serum 120ml Không sục khí
nitơ
Sục khí nitơ Sục khí và kiểm soát pH Tổng lƣợng
hydro (mmol/L)
18.16 ± 0.9 31.56 ± 1.58 37.57 ± 1.88
Năng suất hydro (mol hydro/mol glucose tiêu thụ)
1.24 ± 0.06 2.06 ± 0.09 2.98 ± 0.10 Mức tiêu thụ
glucose (mmol/L)
13 ± 0.6 14 ± 0.7 18 ± 0.9
Acid acetic (mmol/L)
8.71 ± 0.35 10.04 ± 0.50 12.62 ± 0.53
Acid lactic (mmol/L)
0.36 ± 0.02 0.34 ± 0.02 0.255 ± 0.01
Kết quả thể hiện trên Bảng 3.7 cho thấy quá trình sục khí nitơ và kiểm soát pH là hiệu quả với sự ngăn ngừa những hiệu ứng ức chế của áp suất hydro riêng phần cao và sự giảm pH đối với việc sản xuất hydro. Sản lượng hydro trong quá trình lên men theo mẻ ở quy mô phòng thí nghiệm cao hơn khi sử dụng phương pháp sục khí nitơ. Sản lượng hydro tăng lên từ 1.21±0.06 mol hydro/mol glucose tiêu thụ lên đến 2.06±0.09 mol hydro/mol glucose tiêu thụ sau 197h nuôi cấy.
Hơn nữa, dưới điều kiện sục khí nitơ và kiểm soát pH, sự sản xuất hydro cao hơn nhiều so với không có sự sục khí nitơ nhưng không bao gồm sự kiểm soát pH.
Lượng khí hydro thu được khi áp dụng phương pháp sục khí nitơ và kiểm soát pH tăng lên đến 2.98±0.1 mol hydro/mol glucose tiêu thụ sau nuôi cấy. Sử dụng glucose cũng là cao nhất dưới điều kiện sục khí nitơ và kiểm soát pH (Bảng 3.7). Sự hình thành sản phẩm khử cuối cùng như ethanol, butanol, lactate làm giảm sản lượng hydro, nên những sản phẩm này cần phải tránh. Sau khi sử dụng glucose trong những thí nghiệm này, hàm lượng của cả acid lactic và acetic được đo tại giai đoạn cuối của quá trình nuôi cấy và kết quả đo được trình bày trong Bảng 3.7. Từ kết quả
49
trên, rút ra kết luận như sau: sục khí nitơ kết hợp với kiểm soát pH giúp nâng cao hiệu suất tạo hydro của vi khuẩn.
3.5. Hàm lƣợng acid hữu cơ đƣợc tạo trong quá trình sản xuất hydro của T. neapolitana
Trong quá trình lên men, các acid hữu cơ như acid acetic và acid lactic cũng được tạo ra từ glucose do vi sinh vật chuyển hóa song song với việc tạo hydro. Tuy nhiên, việc tạo ra quá nhiều acid acetic và acid lactic sẽ làm cho pH của môi trường giảm nhanh chóng, ức chế sự sinh trưởng và tạo hydro của chủng vi sinh vật này.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ xem xét ảnh hưởng của các acid béo hữu cơ đến sự sinh trưởng và sản xuất hydro của Thermotoga neapolitana.
Bảng 3.8. Hàm lượng acid lactic và acetic được tạo ra trong quá trình sinh hydro Thời
gian (h) OD600 pH
H2 (mmol/L)
Acid acetic (mmol/L)
Acid lactic (mmol/L)
Glucose (mmol/L)
6 0.08 7.4 3.1 1.2 0 33
12 0.16 7.0 9.3 2.5 0 28
18 0.24 6.9 15.4 3.6 0.04 22
24 0.34 6.8 17.1 5.8 0.07 19.4
30 0.37 6.4 19.3 7.4 0.18 16
36 0.49 6.3 21.5 10.4 0.8 15.1
42 0.37 6.2 22.0 12.7 1.2 14.0
48 0.36 6.0 22.8 15.1 1.4 13.3
50 0.3 5.8 22.7 15.3 1.5 12.9
Kết quả Bảng 3.8 cho thấy, sau 6h nuôi cấy, sản lượng hydro tăng một cách nhanh chóng. Sau 24h nuôi cấy, pH môi trường giảm nhanh xuống dưới mức tối ưu (7-6.8), cùng với đó, tốc độ sinh hydro cũng giảm dần. Các acid hữu cơ như acid lactic và acid acetic cũng được tạo ra liên tục song song với việc tạo hydro và tốc độ sản xuất của chúng tăng nhanh từ 12 đến 36h nuôi cấy. Acid acetic được tạo ra sớm hơn và nhiều hơn so với acid lactic. Chính việc tạo ra các acid này khiến cho pH
50
của môi trường nuôi cấy giảm từ mức tối ưu là 7.5 xuống đến 6.0. Điều này gây ức chế cho sự sinh trưởng và tạo hydro của Thermotoga neapolitana