Một quy trình sàn xuất các sản phẩm công nghệ sinh học có nhiều thiết bị tham gia. Ta có thể chia ra làm bốn nhóm thiết bị như sau:
_Thiết bị trước lên men bao gồm các thiết bị chuẩn bị môi trường, tiệt trùng môi trường, nhân giống.
_Thiết bị lên men (fermenter).
_Thiết bị sau lên men gồm các thiết bị thu hồi sản phẩm, chế biến sảm phẩm lên men thành các dạng thương phẩm.
Có thể kể tên các thiết bị như: trích ly, ly tâm, sấy, lọc, kết tinh, hấp phụ, bao gói...
_Thiết bị bổ trợ cho nhóm thiết bị trên: các băng tải, thùng chứa...
Thiết bị lên men (fermenter) là các thiết bị đóng vai trò chính trong một quy trình sản xuất. Tại đây,các phản ứng sinh hóa diễn ra, chuyển hóa các nguồn cơ chất thành các sản phẩm mong muốn thông qua các vi sinh vật và các enzyme của chúng. Các loại sản phẩm của quá trình lên men thường là: sinh khối của vi sinh vật, sản phẩm trao đổi chất hoặc các loại enzyme sử dụng cho các chuyển hóa sinh hóa khác.
2.4.2. Phân loại fermenter
Tùy vào loại sản phẩm, loại vi sinh vật, loại cơ chất, động cơ của quá trình lên men mà cấu tạo, phương thức hoạt động của các fermenter sẽ khác nhau.
_Fermenter làm việc liên tục: cơ chất được đưa vào và sản phẩm được tháo ra liên tục.
_Fermenter làm việc gián đọan: đây là dạng fermenter có cơ chất được đưa vào một lần từ đầu quá trình lên men. Quá trình lên men diễn ra trong một hệ kín, không có nhập liệu cũng như tháo liệu. Sản phẩm chỉ được lấy ra khi kết thúc thời gian lên men.
_Fermenter làm việc bán liên tục: đây là dạng fermenter có cơ chất được nhập liệu theo chu kì, ngoài lượng cơ chất được nhập liệu ban đầu thì sẽ có một
lượng cơ chất bổ sung trong khi đang tiến hành lên men. Sản phẩm được tháo ra vào cuối giai đoạn lên men. Thời gian giữa các lần bổ sung cơ chất sẽ được tính toán để thu được hiệu quả cao nhất.[4]
2.4.3. Các kiểu nuôi cấy trong fermenter 2.4.3.1. Nuôi cấy gián đoạn
Khi vi sinh vật được nuôi cấy gián đoạn, quá trình sinh trưởng và phát triển sẽ theo các pha:
_Pha lag: pha này tính từ lúc bắt đầu nuôi cấy cho đến khi vi sinh vật đạt được tốc độ sinh trưởng cực đại. Trong pha lag vi sinh vật chưa phân chia mạnh, nhưng thể tích và khối lượng tế bào tăng lên rõ rệt.
_Pha log: trong pha này vi sinh vật sinh trưởng và phát triển theo lũy thừa, sinh khối vi sinh vật tăng theo hàm mũ:
N= N0.a(t/T) N0:mật độ vi sinh ban đầu
T:thời gian thế hệ a:hệ số (1<a<= 2 ) t: thời gian nuôi cấy.
_Pha ổn định: Quần thể vi sinh vật ở trạng thái cân bằng động học,số tế bào mới sinh ra bằng số tế bào chết đi, tế bào cũng giữ được sự ổn định về kích thước và khối lượng. Kết quả là sinh khối được giữ ở mức ổn định.
_Pha suy vong: Lượng tế bào có khả năng sống giảm theo lũy thừa ( hoặc dù số lượng tế bào tổng cộng có thể không giảm).
Sản phẩm của quá trình nuôi cấy gián đoạn thường được lấy ra ở cuối pha ổn định nếu quá trình nuôi cấy để thu nhận sản phẩm trao đổi chất, và đầu pha ổn định nếu quá trình nuôi cấy thu nhận sinh khối. Thời gian lên men được lấy bằng thời gian nuôi cấy thích hợp nhất để thu sản phẩm. Thời gian này thường được xác định bằng thực nghiệm hay dựa vào các yếu cầu về công nghệ,về sản phẩm. [5]
2.4.3.2 Nuôi cấy liên tục
Giả sử ta có thiết bị lên men làm việc liên tục với thể tích là V (lít) và lưu lượng của dòng môi trường chảy vào bình lên men và dòng tháo sản phẩm là F (lít/giờ).
Trong quá trình lên men sẽ có hai quá trình ảnh hưởng tới lượng sinh khối vi sinh vật có trong thiết bị lên men. Đó là quá trình tháo liệu sản phẩm liên tục và quá trình sinh trưởng của vi sinh vật. Ta sẽ xét cân bằng vật chất của thiết bị lên men khi hai trạng thái này độc lập với nhau.
Nếu chỉ có quá trình tháo liệu xảy ra ( xem như vi sinh vật không có bất cứ hoạt động sinh lý nào: sinh trưởng, phát triển hay chết đi). Vi sinh vật bị lấy ra khỏi bình nuôi cấy với vận tốc v-
v- = dx/dt = F/VX = D.X X là mật độ tế bào (g/L. Hay tế bào/ml)
D là tốc độ pha loãng (1/h), là tốc độ cấp môi trường trên thể tích bình nuôi.
D = F/V
Nếu chỉ xét quá trình phát triển của vi sinh vật, không xét đến quá trình tháo liệu thì vi sinh vật sẽ phát triển và tăng sinh khối theo phương trình Monod:
v+ = dX/dt = à.X v+, v- (g/L.h hay tế bào/ml.h)
Với à (1/h) là tốc độ gia tăng sinh khối, à xỏc định bằng phương trỡnh Monod à = àmax. [S]/Ks + [S]
Tuy nhiên cả hai quá trình diễn ra đồng thời nên ta có sự biến thiên sinh khối của vi sinh khối vật là:
Vận tốc biến thiên sinh khối:
V = dX/dt = (à - D)e (à -D)t
Nếu à > D, giỏ trị v = dX/dt cú giỏ trị dương, nghĩa là nồng độ vi sinh vật trong bỡnh tăng. Ngược lại, nếu à < D v sẽ cú giỏ trị õm và nồng độ vi sinh vật trong bỡnh giảm. Trong trường hợp à = D ta cú v = 0, nghĩa là nồng độ vi sinh vật khụng tăng,không giảm theo thời gian, quần thể vi sinh vật ở trạng thái cân bằng động học.
Nếu duy trỡ sao cho à luụn luụn bằng D trong thiết bị, ta sẽ thu được quần thể vi sinh vật sinh trưởng và phát triển ở một mật độ tế bào không đổi và không phụ thuộc vào thời gian. Trong trường hợp như vậy, không những kích thước trung bình của tế bào, trạng thái sinh lý của tế bào vi sinh vật, mặt khác cải thiện quá trình sản xuất vi sinh vật ở quy mô công nghiệp. Tuy nhiên điều này đồi hỏi phải có hệ thống
cảm biến theo dõi và hệ thống điều khiển tự động. Vì vậy, trong nuôi cấy có hai dạng thiết bị là chemostass và turbidostass.
Thông số của canh trường thường được cài đặt là:
+Mật độ tế bào ( xác định bằng cách đo độ đục của canh trường nuôi cấy).
+Nồng độ cơ chất.
+Nồng độ sản phẩm.
Để theo dõi được các giá trị này thì phải sử dụng các cảm biến (sensor) gắn vào hệ thống lên men, tùy thuộc vào thông số theo dõi mà ta có các cảm biến thích hợp. Chemostass có mức độ ổn định cao hơn turbidostass. Nếu các thông số hoạt động có quan hệ phụ thuộc chặt chẽ với nhau thì cả hệ thống hoạt động độc lập với thời gian.
Tóm lại, ở thiết bị lên men liên tục, khi quá trình nuôi cấy đạt tốc độ ổn định thì các thông số như nồng độ cơ chất, nồng độ sản phẩm, nồng độ vi sinh vật... là các đại lượng không phụ thuộc vào thời gian ( hoàn toàn hay gần đúng).
Vì tiến hành nhập liệu và tháo sản phẩm liên tục nên thời gian lên men trong thiết bị làm việc liên tục là một đại lượng không thể xác định được một cách chính xác. Chúng ta chỉ có thể xác định được thời gian lưu trung bình của một phần tử trong thiết bị. [4]
Trong suốt thời gian lưu, một phần tử của canh trường có thể tham gia họat động lên men, hay không tham gia họat động này. Mặt khác thời gian lưu của các phần tử trong thiết bị cũng không như nhau, đặc biệt là các thiết bị có vùng chết hay có dòng chảy tắt. Vì vậy đại lượng thời gian lưu kể trên là giá trị trung bình cho tất cả các phần tử. Thời gian lưu này được xác định bằng thực nghiệm với tiêu chuẩn là độ chuyển hóa mong muốn. Khi đó lưu lượng dòng nhập liệu ( hay tháo sản phẩm) được tính toán để phù hợp với công thức sau:
T = V/F
Với V: thể tích dung dịch chứa trong thiết bị.
F: lưu lượng nhập liệu,tháo sản phẩm T: thời gian lưu