Hình 2.2. Ảnh hưởng của YE và glucose trong môi trường
Trong trường hợp không có glucose, dòng chảy giảm không đáng kể từ giá trị YE 8.5 g/L trở đi. Trong khi đó, dòng chảy giảm đi 40% so với ban đầu ở giá trị glucose 100g/L và không có sự hiện diện của YE. Tuy nhiên, có thể quan sát được dòng chảy giảm gần 80% khi 100g/L glucose và 8.5g/L YE cùng tồn tại trong môi trường. Kết quả cho thấy có sự tác động qua lại giữa glucose và YE. Hiện tượng tắc nghẽn nghiêm trọng hơn khi các phân tử lớn hình thành do sự tác động của nguồn cơ chất này. Nagata et al. (1989) cũng đã nghiên cứu sự ảnh hưởng lẫn nhau của các thành phần trong môi trường, và có sự hình thành kết tủa kali amoni phosphate trong suốt quá trình tiệt trùng. Kết tủa này là chất gây tắc nghẽn chủ yếu trong việc thu nhận tế bào B. polymyxa bằng vi lọc. Sự ảnh hưởng và tác động qua lại giữa các thành phần môi trường gây ra việc tắc nghẽn được chú ý nhiều hơn trong các hệ thống nuôi cấy tế bào cố định trên membrane.
Việc thêm glucose trong lên men có hồi lưu ở hệ thống SMBR được quan tâm vì glucose làm tăng tốc độ sinh tổng hợp xylitol trong lên men tĩnh và fed batch. Khi glucose thêm vào, nồng độ sinh khối tăng đến 71g/L trong 3 chu kỳ hồi lưu. Tuy nhiên, sản phẩm xylitol do Candida tropicalis sản sinh chậm hơn trong pha đầu tiên ở mỗi chu kỳ, và tốc độ sinh tổng hợp xylitol cũng thấp hơn so với việc không sử dụng glucose.
Rất nhiều nghiên cứu đề cập đến việc bổ sung glucose vào môi trường trong phương pháp lên men có hồi lưu. Glucose là nguồn cơ chất khá phổ biến trong nhiều quá trình lên men. Nhìn chung, glucose có khuynh hướng gây tắc nghẽn membrane nghiêm trọng và ít được sử dụng quá trình vận hành MBRs (W. Zhang et al.1998).
− Trong sản xuất enzyme chitinase, chitin là nguồn cơ chất cảm ứng kích thích vi sinh vật
Paenibacillus sp. CHE-N1 sinh tổng hợp enzyme cảm ứng. Po-Min Kao et al. (2007) đã
khảo sát việc bổ sung chitin tại thời điểm 96h và 168h, liệu có ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme chitinase hay không, kết quả thể hiện trên hình 2.3.
Hình 2.3. Ảnh hưởng của việc bổ sung chitin đến chất lượng sản phẩm
Khi hoạt tính chitinase giảm dưới 13 mU/mL, người ta tiến hành bổ sung chitin. Bằng cách thay thế 500 mL canh trường với 500mL chitin (55.4g/L), hoạt tính chitinase trong canh trường giữ ổn định ở mức 13-15 mU/mL hơn 10 ngày. Điều này cho thấy khi chitin thêm vào, hoạt tính enzyem tăng tức thì. Sau đó, hoạt tính có thể thay đổi từ 15 xuống còn 13 mU/mL trong 3-4 ngày. Điều này có nghĩa rằng việc thêm chitin là cung cấp cho tế bào vi sinh vật một lượng môi trường mới để phát triển liên tục và sinh tổng hợp sản phẩm. − Một vài nghiên cứu đã cho rằng nồng độ lactate ở mức độ thấp ngoài việc có thể gây ức chế sự sinh tổng hợp sản phẩm ethanol, còn ức chế luôn cả sự sinh trưởng của
Sacharomyces cerevisiae. Hình 2.4 đã chỉ ra được ảnh hưởng của việc bổ sung acetate
Hình 2.4. Ảnh hưởng của tốc độ bổ sung cơ chất đến hiệu quả quá trình lên men ethanol. Bảng 2.4. Thành phần trong môi trường ở 3 giai đoạn
Cơ chất Glucose Galactose Lactose
Giai đoạn S4 (không bổ sung acetate) 66.5 71.5 3.7 Giai đoạn S5 (bổ sung acetate 5.8kg/m3) 77.1 81.5 5.3 Giai đoạn S6(bổ sung acetate 2.9 kg/m3) 74.4 78.2 4.9
(đơn vị: kg/m3)
Để giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn, sự phân cực trên màng và các vấn đề về bơm, tế bào được rút và giữ ổn định ở khoảng 160±25 kg/m3. Trạng thái cân bằng đầu tiên được thiết lập (ngoại trừ sự sinh trưởng của tế bào) và sử dụng nguồn cơ chất không có acetate (giai đoạn S4), kết quả thu được nồng độ ethanol là 63kg/m3 và hiệu suất là 15.1 kg/m3.h. Khi sử dụng nguồn cơ chất trong giai đoạn S5 có bổ sung 5.8kg/m3 acetate, sự sinh trưởng của tế bào vi sinh vật ngưng lại tức thời. Tuy nhiên, trong khi acetate không tác động đến việc sử dụng glucose nhưng lại có sự giảm mãnh liệt trong vấn đề sử dụng nguồn galactose, kết quả là lượng galactose sót giữ ở mức 40kg/m3. Sau đó, loại bỏ acetate từ nguồn cơ chất để trở về giống với trạng thái ban đầu, thời gian vận hành giai đoạn này từ giờ thứ 76 đến giờ thứ 136.
Trong giai đoạn S6, cơ chất chứa ½ lượng acetate so với giai đoạn S5. Tốc độ phát triển của vi sinh vật giảm đáng kể. Lượng đường tiêu thụ quan sát được là: sử dụng hoàn toàn lượng glucose nhưng không sử dụng hoàn toàn lượng galactose.
Như vậy, thấy được rằng việc bổ sung acetate ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của nấm men S. cerevisiae. Sự phát triển tế bào vi sinh vật giảm khi có mặt acetate 0.05M, và nó không ảnh hưởng đến việc sử dụng glucose sản sinh cồn. Tuy nhiên, acetate ảnh hưởng đến việc sử dụng galactose, và đây là điều không mong đợi trong hiện tượng sinh trưởng kép. Vẫn chưa có sự tối ưu hóa nào trong việc phối hợp giữa nồng độ acetate, tổng lượng đường và tốc độ pha loãng. Tuy nhiên, ở nghiên cứu này cũng đã cho thấy rằng nồng độ sản phẩm và hiệu suất thu được là thấp so với việc sử dụng nguồn nguyên liệu không có acetate.
Các ảnh hưởng đã nêu trên cho thấy tầm quan trọng trong việc sử dụng thành phần cơ chất như thế nào, với tỷ lệ là bao nhiêu để hợp lý. Rõ ràng thấy được rằng không phải cứ bổ sung thêm nguồn dinh dưỡng vào là có lợi cho sự phát triển và sinh tổng hợp sản phẩm của vi sinh vật. Cần xem xét tối ưu hóa lại nguồn nguyên liệu trước khi thực hiện quá trình MBRs.