Chất mang đóng vai trò như một tác nhân bảo vệ tế bào chống lại các ảnh hưởng bất lợi từ môi trường như nồng độ cơ chất cao, sự thay đổi pH, nhiệt độ và làm giảm đi sự ức chế tế bào bởi sản phẩm cuối (butanol).
Mật độ tế bào trên mỗi đơn vị thể tích của bình phản ứng sinh học cao hơn, từ đó dẫn đến năng suất thể tích cao hơn, rút ngắn thời gian lên men.
Tăng khả năng sử dụng cơ chất và tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm, từ đó cải thiện hiệu suất lên men.
Có thể sử dụng cho quá trình sản xuất liên tục.
Dễ dàng thu hồi sản phẩm, giảm bớt công đoạn phân riêng canh trường sau lên men, do đó giảm chi phí về thiết bị và năng lượng.
Có thể tái sử dụng nấm men nhiều lần trong khi vẫn đảm bảo được hoạt tính sinh học ổn định.
Những nghiên cứu về tế bào cố định trong lên men sản xuất butanol đều dựa trên hai kỹ thuật chính là hấp thụ và nhốt tế bào vi khuẩn Clostridium lên chất mang.
R. Sallam và cộng sự (2003) đã tiến hành nghiên cứu cố định tế bào C.
acetobutylicum lên chất mang là Ca-alginate và than hoạt tính qua đó so sánh khả năng lên men sản xuất butanol của tế bào cố định và tế bào tự do. Sau 4 ngày lên men thu được kết quả sau:
Bảng 12: Kết quả lên men từ tế bào tự do và cố định trên Ca-alginate và than hoạt tính Thời gian lên
men (ngày) Nồng độ đường
(kg/m3) Acetone
(kg/m3) Butanol (kg/m3) Tự do
0.0 70.0 0.0 0.0
1.0 46.3 1.7 3.3
2.0 35.0 1.9 4.3
3.0 23.0 3.6 8.5
4.0 14.0 6.3 15.7
Cố định trên Ca-alginate
0.0 70.0 0.0 0.0
1.0 45.0 1.9 3.3
2.0 30.0 3.4 8.0
3.0 20.0 6.3 15.0
4.0 9.3 8.4 20.5
Cố định trên than hoạt tính
0.0 70.0 0.0 0.0
1.0 30.0 1.0 2.3
2.0 19.5 1.2 3.0
3.0 13.0 2.0 4.6
4.0 12.0 2.9 6.9
Kết quả từ bảng 12 cho thấy nồng độ cơ chất trong dịch lên men giảm nhanh chóng trong giai đoạn đầu của quá trình lên men. Tế bào vi khuẩn được hấp thụ trên than hoạt tính có tốc độ sử dụng cơ chất cực đại đạt rsm= 100 kg/m3.ngày, trong khi của tế bào tự do và tế bào cố định trên Ca-alginate lần lượt là 50 và 80 kg/m3.ngày. Tuy nhiên, tế bào cố định trên Ca-alginate lại có khả năng tổng hợp butanol cao nhất 20.5 kg/m3 đạt hiệu suất 0.34. Trong khi tế bào cố định trên than hoạt tính lại cho khả năng tổng hợp butanol thấp hơn cả tế bào tự do (6.9 kg/m3 < 15.7 kg/m3). Như vậy, Ca-alginate thể hiện là một chất mang có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với than hoạt tính. Việc nhốt các tế bào vi khuẩn C. acetobutylicum trong gel alginate đã giúp cho các tế bào ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ức chế từ môi trường hơn so với tế bào tự do làm tăng hiệu suất tổng hợp butanol.
Trong một nghiên cứu khác của S. Shamsudin và cộng sự (2006) thực hiện cố định trên 5 loại chất mang khác nhau bao gồm : stainless steel scrubber, nylon scrubber, các hạt polyurethane có kích thước mao quản bằng nhau, các hạt polyurethane có kích thước mao quản không đồng đều và fruit bunch fiber. Sử dụng chủng C.Saccharoperbutylacetonicum N1-4 để cố định, lên men trên môi trường TYS chứa 40 g glucose. Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các loại chất mang khác nhau lên nồng độ dung môi thu được sau quá trình lên men, hiệu suất và tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm trên môi trường lên men TYA ở 30oC. Kết quả thu được từ quá trình lên men thể hiện trên đồ thị sau:
Hình 18: Nồng độ các sản phẩm thu được từ các quá trình lên men ABE sử dụng tế bào vi khuẩn cố định trên các loại chất mang. 1, stainless steel scrubber. 2, nylon scrubber. 3, các hạt polyurethane có kích thước mao quản giống nhau. 4, các hạt polyurethane có kích thước mao
quản không đồng đều. 5, fruit bunch fiber. 6, tế bào tự do.
Tiến hành so sánh các quá trình lên men ABE thực hiện bởi tế bào vi khuẩn cố định với tế bào vi khuẩn tự do sau 24 giờ lên men. Kết qủa cho thấy tế bào vi khuẩn cố định trên các hạt polyurethane có kích thước mao quản không đồng đều có khả năng tổng hợp dung môi cao nhất (26.679 g/l dung môi) sau 24 giờ lên men với 19.228 g/l butanol. Chất mang stainless steel scrubber cho kết quả lên men cao thứ hai với 16.243 g/l dung môi, tiếp theo là fruit bunch fiber với 15.650 g/l dung môi, các hạt polyurethane có kích thước mao quản giống nhau cho kết quả là 10.606 g/l dung môi và cuối cùng là nylon scrubber cho kết quả thấp nhất với 3.863 g/l. Tổng nồng độ acid thu được từ quá trình lên men sử dụng các hạt polyurethane có kích thước mao quản không đồng đều cho kết quả thấp nhất với 1.373 g/l acetate và 0.235 g/l butyrate. Điều này hoàn toàn phù hợp khi quá trình lên men sử dụng các hạt polyurethane có kích thước mao quản không đồng đều cho nồng độ dung môi cao nhất. Hiệu suất và tốc độ sinh tổng hợp dung môi của các quá trình lên men sử dụng tế bào cố định so với tế bào tự do được biểu diễn trên đồ thị hình 19:
Hình 19: Hiệu suất và tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm sau 24 giờ lên men ABE ở 30oC trên môi trường TYA. 1, stainless steel scrubber. 2, nylon scrubber. 3, các hạt polyurethane có kích thước mao quản giống nhau. 4, các hạt polyurethane có kích thước mao quản không đồng đều.
5, fruit bunch fiber. 6, tế bào tự do.
Kết quả cho thấy tốc độ sinh tổng hợp dung môi đạt được từ 5 loại chất mang khác nhau lần lượt là 1.084, 0.648, 0.633, 0.406 và 0.122 g/l.h tương ứng của các hạt polyurethane có kích thước không đồng đều, stainless steel scrubber, fruit bunch fiber, các hạt polyurethane có kích thước giống nhau và nylon scrubber.
Từ những kết quả trên, có thể kết luận rằng quá trình lên men từ tế bào vi khuẩn cố định trên chất mang là các hạt polyurethane có kích thước không đồng đều cho kết quả tốt nhất. So với quá trình lên men từ vi khuẩn tự do, các hạt polyurethane có kích
thước không đồng đều đã giúp cho quá trình lên men có thể tăng hiệu suất gấp 1.9 lần và tăng tốc độ sinh tổng hợp dung môi hơn 3.9 lần. Điều này có được là do cấu tạo của các hạt polyurethane có cấu trúc xốp rỗng, bao gồm rất nhiều mao quản nhỏ có đường kớnh từ 20-900 àm (hỡnh 20). Nhờ đú cỏc tế bào vi khuẩn dễ dàng được nhốt trong cỏc mao quản, có thể tiếp xúc và trao đổi chất dễ dàng với môi trường. Bên cạnh đó, polyurethane còn có nhiều ưu điểm hơn so với các loại chất mang khác như giá thanh rẻ, quá trình cố định đơn giản và nhanh chóng, không cần sử dụng thêm hóa chất hỗ trợ nào. Do đó, polyurethane thể hiện là một chất mang tiềm năng trong việc ứng dụng để cố định vi khuẩn sử dụng trong lên men ở quy mô công nghiệp.
Hình 20: Cấu trúc mao quản của các hạt polyurethane có kích thước mao quản không đồng đều.