Hệ thống tế bào cố định có nhiều ƣu điểm hơn hẳn hệ thống tế bào tự do nhƣ:
- Hoạt tính kéo dài và ổn định của chất xúc tác sinh học. Cơ chất cố định có thể
hoạt động nhƣ là tác nhân bảo vệ chống lại các tác động hóa lý của pH, nhiệt độ, dung môi hoặc kim loại nặng.
- Mật đố tế bào cao hơn trong 1 đơn vị thể tích nên làm tăng khả năng sản xuất,
rút ngắn thời gian lên men.
- Gia tăng hấp thu cơ chất và cải thiện sản lƣợng
- Có thể ứng dụng trong hệ thống liên tục.
- Gia tăng sự chịu đựng với nồng độ cơ chất cao và giảm sự ức chế do sản phẩm
cuối.
- Có thể lên men ở nhiệt độ thấp để cải thiện chất lƣợng sản phẩm.
- Dễ thu hồi vì giảm quá trình phân chia và lọc, do đó làm giảm chi phí dụng cụ
và năng lƣợng.
- Sự tái sinh và tái sử dụng của chất xúc tác đƣợc mở rộng trong một thời gian
trong lên men chu kỳ, mà không loại bỏ khỏi thiết bị phản ứng.
- Giảm nguy cơ nhiễm vi sinh vật do mật độ tế bào cao và khả năng lên men cao.
- Có thể dùng thiết bị phản ứng nhỏ hơn với thiết kế quá trình đơn giản hóa và do
đó chi phí vốn thấp hơn.
- Giảm thời gian chín của sản phẩm
Do những ƣu điểm kể trên, các chế phẩm cố định ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các quá trình sản xuất. Trong công nghiệp sản xuất ethanol nhiên liệu, chế phẩm nấm men cố định cũng đƣợc coi là một phƣơng án khả thi để làm giảm giá thành sản phẩm [19, 25].
Nhiều vật liệu đã đƣợc chọn làm chất mang cố định trong sản xuất bioethanol nhƣ alginate, vỏ cam, vật liệu cellulose đã đề lignin. Trong số này, vật liệu cellulose đã đề lignin đƣợc quan tâm vì tính sẵn có, giá thành rẻ và độ bền. Vật liệu lignocellulose tự nhiên chứa lƣợng lớn nhóm ƣa nƣớc ở dạng nhóm mang, với sự hấp phụ các tế bào mang.
SVTH: Phan Thị Tƣờng Vi 20
Trong quá trình xử lý đề lignin, lignin đƣợc loại bỏ một phần và các nhóm ƣa nƣớc đƣợc phơi bày ra, làm gia tăng sự hấp phụ. Xử lý đề lignin hóa với dung dịch NaOH làm gia tăng khả năng tế bào đi vào và cƣ trú trong chất mang.
Mía là vật liệu tự nhiên, dƣ dật, rẻ tiền và là cơ chất thích hợp cho sự phát triển của tế bào, do đó, mía cũng nhƣ bã mía đƣợc ứng dụng làm giá thể trong công nghiệp sản xuất ethanol nhiên liệu.
Hình 2. 8: Hình chụp mía dƣới kính hiển vi điện tử quét. a.Hình chụp cắt ngang mía trƣớc khi cố định, b.Cấu trúc tế bào nhu mô của mía sau xử lý đông - rã đông [18]
Hình chụp dƣới kính hiển vi của thân mía trƣớc khi cố định nấm men cho thấy bề mặt ngoài, bao gồm tế bào nhu mô và mạch mở (hình 2.8). Mạch đƣợc cấu tạo bởi các bó mạch, anular, mạch xoắn và ống lƣới… đƣợc hiện diện trong toàn bộ thân. Cần thiết để xử lý nguyên liệu trƣớc khi cố định bằng quá trình làm đông và rã đông để phá vỡ cấu
trúc tế bào (hình 2.8). Thông thƣờng, mía để làm cơ chất cố định đƣợc đƣợc trữ ở -20oC.
Trong khi rã đông, những lỗ hổng rõ nét trong mô mía là kết quả của sự phá hủy tế bào, mô phân chia hoặc sắp xếp. Vì thế làm xuất hiện những kẽ hở lớn ở trung tâm của thân mía. Đƣờng kính của lỗ hổng của cơ chất thì lớn hơn nhiều lần kích thƣớc của tế bào và có khả năng chứa đựng nhiều tế bào. Trong suốt quá trình ủ và lên men, tế bào nấm men có thể tiến sâu vào bên trong của mía nơi mà tế bào gia tăng số lƣợng bởi sự sinh sản.
Tế bào nấm men cố định đƣợc xem thấy bởi kính hiển vi điện tử quét. Có lƣợng lớn tế bào nấm men bám chặt vào bề mặt của miếng mía (hình 2.10). Cả phần dọc của cấu trúc bó sợi và phần dài của bề mặt đều thấy mật độ tế bào hấp phụ cao (hình 2.9).
SVTH: Phan Thị Tƣờng Vi 21
Hình 2. 9: Hình chụp dƣới kính hiển vi điện tử quét phần giữa của giá thể mía sau cố định. Theo chiều ngang, nấm men hấp phụ lên tế bào nhu mô (a); theo chiều dọc, sự hấp phụ nấm men lên bó mạch (b), mạch vòng (c), mạch xoắn (d), ống aieve (e), tế bào nhu mô (f). [18]
Nhƣ chúng ta biết, sự gắn chặt của tế bào ƣa nƣớc chẳng hạn nhƣ S.cerevisiae phụ thuộc vào tƣơng tác tĩnh điện giữa giá thể và bề mặt không tích điện của tế bào. Dựa vào những kỹ thuật cố định này, mía đƣợc tin rằng có thể cố định nấm men bằng cách bẫy tự nhiên vào cấu trúc xốp của mía bằng hấp phụ vật lý bởi lực điện giữa màng tế bào và chất mang. Cũng vậy, sự theo dõi chỉ ra rằng sự giữ lại tế bào là do tác động của lực mao dẫn trong suốt quá trình cố định, giúp điền đầy tế bào và giữ nó trên bề mặt của kênh nơi chúng có thể bị bẫy, tiếp xúc và phân chia. Dòng tế bào qua cơ chất xốp do áp suất khác nhau giữa mạch làm cho tế bào đi vào trong mạch. Mật độ tế bào cố định cao trên bề mặt của giá thể đƣợc Lei Liang và cộng sự ghi nhận sau 10 lần lên men. Điều này có thể đƣợc
SVTH: Phan Thị Tƣờng Vi 22
giải thích bởi nguồn dinh dƣỡng sẵn có lớn (đƣờng) gần bề mặt của giá thể. Thêm vào đó, nguồn dinh dƣỡng sẵn có lớn trong lỗ trống của tế bào nhu mô cũng thu hút nấm men di chuyển vào trong tế bào nhu mô và sinh sôi trong quá trình cố định [18].
Hình 2. 10: Hình chụp dƣới kính hiển vi điện tử quét của bề mặt giá thể trong quá trình lên men. A: bề mặt giá thể sau quá trình cố định. B: bề mặt giá thể sau 10 chu kỳ lên men [18].
Lei Liang và cộng sự sử dụng mía làm giá thể cố định Saccharomyces cerevisiae
đạt đƣợc kết quả khả quan. Nồng độ ethanol (khoảng 89.73 – 77.13g/l là giá trị trung
bình), và sự sản xuất ethanol (khoảng 59.53 – 62.79 g/ld là giá trị trung bình) thì cao và ổn định còn nồng độ đƣờng sót thì thấp (0.34 – 3.60g/l) với mức độ biến đối từ 97.67 – 99.80%, hiệu suất (90.11 – 94.28%) và sự ổn định của chất xúc tác trong lên men ethanol. Quá trình lên men bằng giá thể mía cố định trải qua 10 chu kỳ mà sản lƣợng ethanol tạo đƣợc vẫn ổn định. Trong trƣờng hợp lên men từ nƣớc mía ( 173.85g đƣờng ban đầu/l) và mật rỉ (154.07 g đƣờng ban đầu/l) bởi nấm men cố định trên mía, lƣợng ethanol thực tế là 91.72% (0.47) và 88.94% (0.45) lý thuyết, là giá trị có thể chấp nhận đƣợc. So sánh với những kết quả thu đƣợc với nấm men tự do, nồng độ ethanol thu đƣợc tƣơng tự, tuy nhiên, điểm khác nhau chính là mức độ lên men cao hơn của nấm men cố định cho thấy khả năng sản xuất cồn cao hơn và hiệu suất lên men cao thu đƣợc với nấm men cố định.
Chúng ta cũng biết rằng nấm men có thể đƣợc bẫy trong calcium aglinate và kết quả nấm men cố định có thể dùng cho lên men nhanh. Nhiều nghiên cứu miêu tả kỹ thuật này nhƣ là kỹ thuật đƣợc ứng dụng thƣờng xuyên trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên cũng có nhiều nỗ lực để thƣơng mại hóa kỹ thuật này. Một trong những hiểu biết tốt nhất
là của Kyowa Hakko ở Nhật, nơi mà sử phát triển S.cerevisiae cố định trong hạt gel
SVTH: Phan Thị Tƣờng Vi 23
liên tục từ mật rỉ đƣờng mía và nhiều nguồn đƣờng khác. Theo đó, sự sản xuất ethanol thì hơn 50g ethanol/l gel h và giữ ổn định hơn nửa năm. Nồng độ tế bào trong chất mang ƣớc tính khoảng hơn 250g tế bào khô/l gel. Nồng độ ethanol sản xuất đƣợc từ dịch mất rỉ pha loãng không khử trùng là 8 – 10% (v/v) trong hơn nữa năm. Sự sản xuất ethanol đƣợc tính 0.6l ethanol/ một lít thể tích thiết bị phản ứng một ngày với sự chuyển hóa là 95% lý thuyết trong trƣờng hợp này là 8.5% (v/v) dịch ethanol. Kết quả của công việc này thƣờng đƣợc so sánh với những nghiên cứu trƣớc đây ở mức độ lên men, sản lƣợng và hiệu suất và sự kết hợp để cải thiện quá trình chƣng cất để đạt nồng độ ethanol cao từ 10 – 11.5% (v/v). Theo cách khác, có một vài khuyết điểm của nấm men cố định trên alginate cho mức độ thƣơng mại hóa. Khó khăn chính với sự bẫy trong alginate là cách các phần đƣợc tạo thành. Nó phải đƣợc tiến hành ở nơi sản xuất, nơi mà nấm men sệt và sodium alginate đƣợc trộn với nhau. Khi hỗn hợp này cho thêm vào dung dịch muối calcium, alginate kết tủa và ở thời điểm này giữ nấm men trong cấu trúc. Phần này thƣờng đƣợc tạo thành bằng nhỏ giọt tạo hạt gel. Một quá trình sử dụng alginate để bẫy nấm men phải đƣợc thiết kế những dụng cụ đặc biệt chỉ để sản xuất những hạt gel. Hơn nữa, có một nguy cơ lớn nhiễm nấm men với những vi sinh vật hoang dại. Khó khăn thứ hai cho các hạt gel alginate dùng ở qui mô thƣơng mại là độ bền vật lý của nó. Những hạt gel này mềm và dễ chịu nén. Các cột lên men lớn có thể là vấn đề và dòng chảy nhanh thì khó giữ. Khó khăn thứ ba là là giới hạn khuếch tán, với những dòng chảy chậm, cơ chất có thể tiếp xúc với nấm men trong hạt gel. Cuối cùng, nếu hệ thống bị bẩn hoặc bị rối loạn thì quá trình liên tục không thể đƣợc thực hiện, cả vật liệu làm cột phải bị bỏ. Không thể tái sử dụng. Tuy nhiên, giá thể mía cố định đã sử dụng có thể tái sử dụng nhƣ là nguồn giàu protein làm thức ăn cho động vật. Do đó, sự so sánh với nấm men nhốt trong Ca- alginate, nấm men cố định trong mía thì cạnh tranh hơn cho quá trình công nghiệp [18].
Chất xúc tác từ vật liệu tự nhiên để sản xuất cồn đƣợc nghiên cứu mở rộng nhƣ táo, vỏ cam, quả sung khô… Mỗi quá trình lên men cho kết quả sự tiêu thụ glucose ở mức 90 – 99% cho nƣớc ép chứa 134 – 187g đƣờng /l, và sự sản xuất ethanol ổn định với khả
năng sản xuất ethanol từ 26 – 110.4g/l d ở 30o
C [19,25].
Nhƣ vậy, việc ứng dụng giá thể cố định trong lên men ethanol cho hiệu suất cao và có giá trị kinh tế lớn. Ứng dụng các giá thể cố định nấm men vào sản xuất công nghiệp là hoàn toàn có thể thực hiện đƣợc.
SVTH: Phan Thị Tƣờng Vi 24