Tốc độ pha loãng

 Khái niệm về tốc độ pha loãng (dilution rate – D)

Tốc độ pha loãng là một trong những thông số quan trọng trong quá trình. Nó quyết định đến sự tăng trưởng và tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm, không những thế, D còn làm ảnh hưởng đến sự tắc nghẽn trong membrane trong quá trình vận hành hệ thống.

D=F/V, với F là lưu lượng bơm cơ chất hay tháo sản phẩm (m3/h), V là thể tích sử dụng bình lên men (m3).

 Vận hành MBRs liên tục thường ứng dụng phương pháp chemostat, tức là các nhà sản xuất mong muốn lưu lượng dòng vào bằng với lưu lượng dòng ra, nghĩa là cố định F, như vậy, hệ thống sẽ đơn giản và dễ điều khiển. Hơn thế nữa, hệ thống MBRs luôn đạt được giá trị nồng độ sinh khối cao, nên họ chỉ cần cố định giá trị D luôn nhỏ hơn tốc độ sinh trưởng riêng của vi sinh vật ở giai đoạn logarite.

Tốc độ pha loãng càng lớn thì năng suất hoạt động bình lên men càng cao. Tuy nhiên, D càng lớn sẽ gây ra hiện tượng tắc nghẽn membrane càng nghiêm trọng. Vì vậy, đối với hệ thống MBRs này, các nhà sản xuất cần phải tối ưu lại giá trị D.

− Mối quan hệ giữa D và nồng độ tế bào trong sản xuất vang khô từ glucose bằng hệ thống MBR hiệu năng cao bởi Sacharomyces cerevisiae WH-4 (Masamitsu Takaya et al. 2002) thể hiện trong hình 2.6.

Hình 2.6. Ảnh hưởng của tốc độ pha loãng đến nồng độ tế bào

Mối quan hệ này gần như tuyến tính, nghĩa là tốc độ pha loãng càng lớn thì nồng độ tế bào càng cao. Kết quả này chỉ ra rằng nồng độ tế bào liên quan mật thiết đến hiệu suất quá trình, và như vậy, muốn quá trình đạt hiệu quả, có thể điều chỉnh giá trị D phù hợp. Vì vậy có thể nói đặc tính của MBR rất hữu dụng để đạt được mật độ tế bào như mong muốn.

− S. Denis và P. Boyaval (1991) đã khảo sát quá trình vận hành dài trong MBR với membrane UF ở những giá trị tốc độ pha loãng khác nhau.

Hình 2.7. Sinh khối và hoạt tính sản phẩm enzyme trong dòng permeate khi thay đổi tốc độ pha loãng

Với D1=0.023h-1, D2=0.074h-1, D3=0.1h-1, D4=0.135 h-1, D5=0.09h-1

Sinh khối đạt đến 4.4 g/L sau 210h vận hành với số tế bào vi khuẩn sống khá cao. Ở mô hình này không thể đạt được trạng thái cân bằng thật sự. Sinh khối liên tục tăng, hơn nữa số tế bào chết được tập trung lại. Vì vậy, quan trọng là cần đưa các tế bào yếu ra ngoài, khi mà số tế bào sống giảm. Điều này cũng đã thể hiện trong Prigent et al. (1988). Quá trình liên tục được bắt đầu tại mức D=0.023h-1, sau khi kết thúc 26h lên men tĩnh. Tại thời điểm này, hoạt tính enzyme pectate lyase bắt đầu giảm, trong khi hoạt tính protease có phần tăng nhẹ. Sinh khối tăng 0.6g/L trong khi hoạt tính pectate lyase cứ tiếp tục giảm. Ta chú ý rằng việc tăng sản phẩm protease tại D=0.074h-1, nhưng mức độ chung sau giá trị tốc độ pha loãng này vẫn thấp, trong khoảng 0.1 đơn vị hoạt độ/mL.

Khảo sát trên bơm và điều kiện lên men kỵ khí cho phép ta hạn chế được việc giảm hoạt tính sinh học bởi mối nguy gãy vỡ. Hơn nữa, những thí nghiệm khác cũng chỉ ra rằng việc hấp thụ pectate lyase trên membrane không đáng kể trong suốt quá trình. Hiệu quả sinh tổng hợp protease là 0.09 đơn vị/mL.h trong lên men tĩnh và 0.18 đơn vị/mL.h tại thời điểm D=0.1h-1. Việc thay đổi D từ 0.1h-1 không thích hợp cho hiệu quả sinh tổng hợp protease. Tắc nghẽn trên membrane giảm cho phép các thành phần khối lượng phân tử lớn được giữ lại trong bioreactor. Phân tử khối của pectate lyase dao động trong khoảng 30- 45kDa, trong khi của protease ngoại bào dao động trong khoảng 50-55kDa. Các proteases này bị giữ lại ở lớp phân cực trên bề mặt membrane có thể gây nguy hiểm cho pectate lyases khi chúng đi qua màng.

− Tổng quát hơn, Munir Cheryan và Mohamed A. Mehaia (1983) đã khảo sát ảnh hưởng của tốc độ pha loãng đến hiệu quả quá trình trong sản xuất liên tục cồn từ đường lactose bởi loài vi sinh vật Kluyveromyces fragillis NRRL 2415 trong mô hình MRB hiệu năng cao, với module membrane dạng sợi rỗng. Kết quả thu được như hình 2.8.

Hình 2.8. Đánh giá hiệu quả quá trình lên men ethanol trong MRB theo tốc độ pha loãng

Kết quả đạt được tốc độ sinh tổng hợp ethanol cao, giá trị tối ưu là 65g/L.h tại giá trị tốc độ pha loãng là 7h-1. Tuy nhiên, kết quả này còn phụ thuộc vào nồng độ lactose cũng như hàm lượng sinh khối. Cụ thể cũng trong nghiên cứu này, khi nồng độ tế bào ban đầu đạt 90g/L thì tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm đạt cực đại ở giá trị 118g/L.h tại D=6h-1. Vì vậy, sự kết hợp của hàm lượng cơ chất và tốc độ pha loãng có thể phản ánh được hiệu quả quá trình vận hành MRB.

Mục lục