Công nghệ thu sinh khối vi sinh vật là các quá trình nuôi cấy các chủng thuần khiết hoặc hỗn hợp vài chủng để thu được khối lượng tế bào sau khi sinh trưởng
Sự lên men vi sinh vật có thể được phân loại theo các nhóm chính sau:
- Sản xuất các tế bào vi sinh vật (sinh khối) như là sản phẩm.
- Sản xuất các chất trao đổi của vi sinh vật.
- Sản xuất các enzyme vi sinh vật.
- Cải biến một hợp chất được bổ sung vào sự lên men-các quá trình biến nạp.
- Sản xuất các sản phẩm tái tổ hợp.
1. Sinh khối vi sinh vật
Công nghệ thu sinh khối vi sinh vật là các quá trình nuôi cấy các chủng thuần khiết hoặc hỗn hợp vài chủng để thu được khối lượng tế bào sau khi sinh trưởng với các mục đích:
- Sinh khối giàu protein dùng làm thực phẩm cho người và thức ăn cho gia súc là những tế bào vi sinh vật (kể cả sinh khối tảo) đã sấy khô và chết, giàu protein, các vitamin nhóm B và chất khoáng. Nguồn sinh khối này được gọi là protein đơn bào.
- Sinh khối nấm men là những tế bào sống để dùng trong công nghiệp bánh mì-men bánh mì, sinh khối vi khuẩn lactic sống có hoạt tính enzyme tiêu hóa để sản xuất các thuốc hỗ trợ tiêu hóa như biolactovin…
- Sinh khối cố định đạm làm phân bón vi sinh, các loại phân bón vi sinh với vi khuẩn sống tự do trong đất và sống cộng sinh với cây họ đậu.
- Sinh khối vi khuẩn sinh độc tố đối với các loại sâu thân mềm phá hoại rau màu, để sản xuất thuốc trừ sâu vi sinh.
- Sinh khối vi sinh vật có hệ enzyme phân giải các chất hữu cơ kể cả thuốc trừ sâu và hydrocarbon để sản xuất các chế phẩm vi sinh xử lý nước thải và ô nhiễm trong bảo vệ môi trường.
2. Quá trình lên men
Hình 3.2 minh họa các phần của một quá trình lên men tổng quát. Phần trung tâm của hệ thống là hệ lên men, trong đó cơ thể được sinh trưởng dưới các điều kiện tối ưu để tạo thành sản phẩm. Trước khi sự lên men bắt đầu, môi trường phải được pha chế và khử trùng, hệ lên men đã vô trùng, và nuôi cấy khởi đầu phải có một số lượng vi sinh vật vừa đủ ở trong một trạng thái sinh lý phù hợp để cấy truyền vào hệ lên men sản xuất. Kết thúc quá trình lên men các sản phẩm phải được tinh sạch và xử lý thêm.
2.1. Kiểu hoạt động của các quá trình lên men
Các cơ thể vi sinh vật có thể sinh trưởng trong kiểu nuôi cấy mẻ, nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng và nuôi cấy liên tục. Tuy nhiên, hiệu quả thương mại của nuôi cấy liên tục bị hạn chế đối với sản xuất sinh khối và (trong một phạm vi nhất định) đối với sản xuất ethanol công nghiệp và ethanol thực phẩm. Ưu điểm của nuôi cấy liên tục đối với sản xuất sinh khối là quá rõ rệt (có thể xem ở những tính toán sau) nhưng đối với các sản phẩm vi sinh khác thì nhược điểm của nó lại lớn hơn ưu điểm kỹ thuật là có khả năng điều chỉnh để cải thiện quá trình lên men.
Hiệu suất của nuôi cấy mẻ có thể được mô tả bởi phương trình:
Trong đó, Rbatch là sản lượng nuôi cấy trong giới hạn nồng độ sinh khối/giờ, xmax là nồng độ tế bào cực đại đạt được ở pha tĩnh, x0 là nồng độ tế bào ban đầu ở lúc gây nhiễm, ti là thời gian cơ thể sinh trưởng ở μmax và tii là thời gian mà cơ thể không sinh trưởng ở μmax bao gồm pha lag, pha giảm tốc độ, và các thời kỳ của từng mẻ, khử trùng và thu hoạch.
Hiệu suất của nuôi cấy liên tục có thể được biểu diễn như sau:
Trong đó, Rcont là sản lượng của nuôi cấy trong giới hạn nồng độ tế bào trên giờ, tiii là thời gian trước khi thiết lập trạng thái ổn định bao gồm thời gian chuẩn bị bình nuôi, khử trùng và hoạt động trong nuôi cấy mẻ trước khi hoạt động liên tục. T là thời gian mà các điều kiện trạng thái ổn định chiếm ưu thế, và xlà nồng độ tế bào ở trạng thái ổn định.
Sản lượng cực đại của sinh khối trên một đơn vị thời gian (ví dụ: hiệu suất) trong một chemostat có thể đạt tới bằng cách hoạt động ở tốc độ pha loãng cao nhất của xD, giá trị này được xem như là Dmax. Hiệu suất lên men mẻ, như đã mô tả trong phương trình (5), là một giá trị trung bình cho thời gian tổng số của sự lên men. Do dx/dt = μx, nên hiệu suất của nuôi cấy tăng lên theo thời gian, và như vậy, phần lớn sinh khối trong quá trình nuôi cấy mẻ được sản xuất ở gần phần kết thúc của pha log. Trong chemostat trạng thái ổn định, hoạt động ở (hoặc gần) Dmax cho hiệu suất duy trì không đổi, và đạt cực đại cho sự lên men toàn phần. Cũng như vậy, một quá trình liên tục có thể được hoạt động một thời gian rất lâu sao cho thời kỳ không sản xuất, tiii trong phương trình (6), có thể không có ý nghĩa. Tuy nhiên, nhân tố thời gian không sản xuất cho nuôi cấy mẻ là rất có ý nghĩa, đặc biệt khi hệ lên men được thiết lập lại nhiều lần trong suốt thời gian vận hành, và vì thế tii sẽ tái diễn nhiều lần.
Bản chất của quá trình liên tục ở trạng thái ổn định cũng có thuận lợi do nó dễ dàng điều chỉnh hơn hệ lên men mẻ. Trong suốt sự lên men mẻ, sản lượng nhiệt, sự sản xuất kiềm hoặc acid, và sự tiêu thụ oxygen sẽ biến thiên từ các tốc độ rất thấp ở lúc bắt đầu tới các tốc độ rất cao trong suốt pha log muộn. Vì vậy, điều chỉnh môi trường của một hệ thống như thế khó hơn nhiều so với quá trình liên tục mà ở trạng thái ổn định các tốc độ sản xuất và tiêu thụ là hằng số.
Nhược điểm thường xuyên của hệ thống nuôi cấy liên tục là sự mẫn cảm của chúng với sự nhiễm bẩn bởi các cơ thể bên ngoài. Ngăn cản sự nhiễm bẩn là vấn đề hàng đầu khi thiết kế hệ lên men, xây dựng và vận hành, và phải được khắc phục bởi một công nghệ tốt.
Sản xuất các sản phẩm phụ được kết hợp với sự sinh trưởng (ví dụ như ethanol) cũng sẽ hiệu quả hơn trong nuôi cấy liên tục. Sự chấp nhận nuôi cấy liên tục cho sản xuất các sản phẩm sinh tổng hợp của vi sinh vật (ngược với sự dị hóa) đã bị giới hạn cực độ. Mặc dù, về lý thuyết có khả năng tối ưu một hệ thống liên tục để có thể tăng hiệu suất của sự trao đổi chất, tuy nhiên khả năng ổn định trong một thời gian dài của các hệ thống như thế là rất khó khăn do sự thoái hóa của chủng vi sinh vật. Khảo sát về động học của nuôi cấy liên tục cho thấy rằng hệ thống này là sự chọn lọc cao và thích hợp cho việc nhân giống những cơ thể thích nghi tốt nhất trong nuôi cấy. Sự thích nghi tốt nhất trong phạm vi này được xem là ái lực của cơ thể đối với cơ chất được giới hạn ở tốc độ pha loãng đang hoạt động.
Mặc dù công nghiệp lên men đã miễn cưỡng chấp nhận nuôi cấy liên tục để sản xuất các chất trao đổi của vi sinh vật, nhưng những tiến bộ rất đáng kể lại thu được trong sự phát triển các hệ thống nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng. Nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng có thể được sử dụng để đạt tới một mức độ rất đáng kể của sự điều chỉnh quá trình và mở rộng thời gian sản xuất của quá trình nuôi cấy mẻ truyền thống mà không có các nhược điểm cố hữu của nuôi cấy liên tục được mô tả ở trên. Ưu điểm chính của cung cấp thành phần môi trường vào nuôi cấy là chất dinh dưỡng có thể được duy trì ở nồng độ rất thấp trong suốt quá trình lên men. Nồng độ chất dinh dưỡng thấp có thể thuận lợi trong một số mặt sau:
- Duy trì các điều kiện trong nuôi cấy trong phạm vi khả năng thông khí của hệ lên men.
- Loại bỏ các ảnh hưởng khắc nghiệt của các thành phần môi trường, ví dụ như sử dụng nhanh các nguồn nitrogen, carbon và phosphate.
- Tránh các hiệu quả độc của thành phần môi trường.
- Cung cấp một mức độ giới hạn của chất dinh dưỡng cần thiết cho các chủng dị dưỡng.