Công nghệ lên men

Vì vậy, việc tìm hiểu và nắm rõ các kỹ thuật lên men, sự thay đổi quátrình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật là điều cần thiết trong việc tạo racác sản phẩm ấy, đề tài này sẽ nói

I MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Lên men là một phương pháp dùng để chuyển hóa nguyên liệu để thuđược sản phẩm phục vụ cho đời sống con người Ban đầu lên men chỉ đượcdùng trong sản xuất các loại thực phẩm như rượu, giấm, sữa chua,…

Cùng với sự phát triển của khoa học và các ưu điểm vượt trội của mình,lên men còn được dùng để sản xuất nhiều loại sản phẩm và dịch vụ khác nhưkháng sinh, hóa chất, xử lý nước thải Kỹ thuật lên men cũng trở nên ngày càngphong phú về nhiều mặt khác nhau : nguyên liệu, sản phẩm, trang thiết bị

Vì vậy, việc tìm hiểu và nắm rõ các kỹ thuật lên men, sự thay đổi quátrình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật là điều cần thiết trong việc tạo racác sản phẩm ấy, đề tài này sẽ nói rõ và cụ thể về vấn đề đó – Động học pháttriển của vi sinh vật trong công nghệ lên men

1.2 Mục đích và yêu cầu

1.2.1 Mục đích

- Hiểu được tổng quát quá trình lên lên men;

- Hiểu được động học phát triển của vi sinh vật qua các hệ thống lên men

và điều kiện nuôi cấy

1.2.2 Yêu cầu

- Nắm rõ được kiến thức, các bước của quá trình lên men;

- Hiểu rõ động lực phát triển của vi sinh vật qua từng giai đoạn của các điềukiên nuôi cấy

II NỘI DUNG

2.1 Giới thiệu chung về công nghệ lên men và động lực học phát triển của

vi sinh vật trong công nghệ lên men

Lên men có vai trò quan trọng trong quá trình lên men, từ khâu nguyênliệu cho tới việc hoàn thiện sản phẩm Tại đó diễn ra quá trình sinh trưởng vàphát triển của vi sinh vật là mấu chốt trong quá trình lên men

2.1.1 Lên men

a Khái niệm

- Lên men (Fermentation) là sự chuyển hóa cacbonhydrat và một vài hợpchất hữu cơ khác (protein, lipid) thành những chất mới dưới tác dụng củaenzyme do vi sinh vật tiết ra trong điều kiện vi hiếu khí (ít O2) hoặc kị khí(không có O2)

- Mục đích chính của quá trình lên men là chuyển hóa cơ chất trong môitrường dinh dưỡng thành các sản phẩm cần thiết nhờ vi sinh vật

b Phân loại

- Dựa vào đặc điểm quá trình lên men:

 Lên men theo mẻ

 Lên men liên tục

 Lên men có bổ sung cơ chất

 Lên men sử sụng vi sinh vật cố định

- Dựa vào sản phẩm của quá trình lên men:

 Lên men rượu ethanol

 Lên men acid lactic

 Lên men propionic

 Lên men butyric – aceton

 Lên men acid acetic (giấm)

…

Hình 1: Một số sản phẩm của quá trình lên men vi sinh vật

2.1.2 Quá trình lên men

Nguyên liệu Xử lý nguyên liệu (nghiền, đập, sàng, lọc, chà, hồ

hóa,…) Cấy men Lên men Sản phẩm thô

Tách, chiết và thu hồi sản phẩm Tinh chế, hoàn thiện sản phẩm

Thương mại hóa sản phẩm

Để đạt được sản phẩm có chất lượng tốt hay lượng vi sinh vật có sinh khốicao thì việc hiểu được sự phát triển cũng như sự thay đổi về sinh khối hay cácđiều kiện môi trường diễn ra trong quá trình lên men là việc vô cũng cần thiết

2.2 Sinh trưởng của vi sinh vật

2.2.1 Đường cong sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Sự sinh trưởng quần thể vi sinh vật được nghiên cứu bằng cách phân tíchđường cong sinh trưởng trong một môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo phươngpháp nuôi cấy theo mẻ (batch culture) hoặc trong một hệ thống kín Có nghĩa là

vi sinh vật được nuôi cấy trong một thiết bị kín, trong quá trình nuôi cấy khôngthay đổi môi trường và thời gian nuôi cấy càng kéo dài thì nồng độ chất dinhdưỡng càng giảm sút, các chất phế thải của trao đổi chất càng tăng lên Nếu lấythời gian nuôi cấy là trục hoành và lấy số logarit của số lượng tế bào sống làmtrục tung sẽ có thể vẽ được đường cong sinh trưởng của các vi sinh vật sinh sảnbằng cách phân đôi Đường cong này có 4 giai đoạn (phases) khác nhau

Sinh trưởng là biểu thị sự tăng trưởng các thành phần của tế bào Đối vớicác vi sinh vật có hình thức sinh sản bằng nẩy chồi hay phân đôi thì sinh trưởngdẫn tới sự gia tăng số lượng tế bào Tế bào tăng trưởng đến một mức độ nhấtđịnh thì sẽ phân cắt thành hai tế bào thế hệ con có kích thước hầu như bằngnhau Đối với các vi sinh vật đa nhân thì sự phân cách nhân không đồng hànhvới sự phân cắt tế bào - sự sinh trưởng làm tăng kích thước tế bào mà không làmtăng số lượng tế bào Vì vi sinh vật rất nhỏ bé cho nên là đối tượng rất khôngthuận tiện để nghiên cứu về sinh trưởng và phát triển Chính vì vậy mà khinghiên cứu về sinh trưởng, người ta thường xét đến sự biến đổi về số lượng của

cả quần thể vi sinh vật

Sự sinh trưởng quần thể vi sinh vật được nghiên cứu bằng cách phân tíchđường cong sinh trưởng trong một môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo phươngpháp nuôi cấy theo mẻ (batch culture) hoặc trong một hệ thống kín Có nghĩa là

vi sinh vật được nuôi cấy trong một thiết bị kín, trong quá trình nuôi cấy khôngthay đổi môi trường và thời gian nuôi cấy càng kéo dài thì nồng độ chất dinhdưỡng càng giảm sút, các chất phế thải của trao đổi chất càng tăng lên Nếu lấythời gian nuôi cấy là trục hoành và lấy số logarit của số lượng tế bào sống làm

trục tung sẽ có thể vẽ được đường cong sinh trưởng của các vi sinh vật sinh sảnbằng cách phân đôi Đường cong này có 4 giai đoạn (phases) khác nhau.

Hình 1: Đường cong sinh trưởng trong hệ thống kín (Theo sách của Prescott, Harley và Klein)

a Giai đoạn Tiềm phát (Lag phase)

Khi cấy vi sinh vật vào một môi trường mới số lượng thường không tănglên ngay, đó là giai đoạn Tiềm phát hay pha Lag Trong giai đoạn này tế bàochưa phân cắt nhưng thể tích và khối lượng tăng lên rõ rệt do có sự tăng cácthành phần mới của tế bào Nguyên nhân là do tế bào ở trạng thái già, thiếu hụtATP, các cofactor cần thiết và ribosome Thành phần môi trường mới khônggiống môi trường cũ cho nên tế bào cần một thời gian nhất định để tổng hợp cácenzyme mới nhằm sử dụng được các chất dinh dưỡng mới Các tế bào cũng cóthể bị thương tổn và cần một thời gian để hồi phục Bất kỳ vì nguyên nhân gì thìkết quả vẫn là tế bào phải tự trang bị lại các thành phần của mình, tái tạo ADN

và bắt đầu tăng khối lượng Giai đoạn tiềm phát dài hay ngắn liên quan đến bảnthân từng loại vi sinh vật và tính chất của môi trường Nếu tính chất hóa học củamôi trường mới sai khác nhiều với môi trường cũ thì giai đoạn tiềm phát sẽ kéodài Ngược lại, nếu cấy từ giai đoạn logarit vào một môi trường có thành phầntương tự thì giai đoạn tiềm phát sẽ rút ngắn lại Nếu cấy vi sinh vật từ giai đoạntiềm phát hay từ giai đoạn tử vong thì giai đoạn tiềm phát sẽ kéo dài

b Giai đoạn logarit (Log Phase) hay Pha Chỉ số (Exponential Phase)

Trong giai đoạn này vi sinh vật sinh trưởng và phân cắt với nhịp độ tối đa

so với bản tính di truyền của chúng nếu gặp môi trường và điều kiện nuôi cấythích hợp Nhịp độ sinh trưởng của chúng là không thay đổi trong suốt giai đoạnnày, các tế bào phân đôi một cách đều đặn Do các tế bào sinh ra chỉ khác nhaurất ít cho nên đường cong sinh trưởng là một đường trơn nhẵn chứ không gấpkhúc (hình 14.1) Quần thể tế bào trong giai đoạn này có trạng thái hóa học vàsinh lý học cơ bản là như nhau cho nên việc nuôi cấy ở giai đoạn này thườngđược sử dụng để nghiên cứu sinh hóa học và sinh lý học vi sinh vật

Sinh trưởng logarit là sinh trưởng đồng đều, tức là các thành phần tế bàođược tổng họp với tốc độ tương đối ổn định Nếu cân bằng dinh dưỡng hay cácđiều kiện môi trường thay đổi sẽ dẫn đến sự sinh trưởng không đồng đều Sựsinh trưởng khi nhịp độ tổng hợp các thành phần của tế bào tương đối biến hóa

sẽ biến đổi theo cho đến khi đạt tới một sự cân bằng mới Phản ứng này rất dễquan sát thấy khi làm thực nghiệm chuyển tế bào từ một môi trường nghèo dinhdưỡng sang một môi trường giàu hơn Tế bào trước hết phải tạo nên cácribosome mới có thể nâng cao năng lực tổng hợp protein, sau đó là sự tăngcưởng tổng hợp protein và ADN Cuối cùng tất yếu dẫn đến tốc độ phát triểnnhanh chóng

Lúc chuyển quần thể tế bào từ một môi trường giàu dinh dưỡng tới mộtmôi trường nghèo thì cũng có kết quả về sự sinh trưởng không đồng đều nhưvậy Vi sinh vật trước đó có thể thu được từ môi trường nhiều thành phần của tếbào nhưng khi chuyển sang môi trường nghèo chúng cần có thời gian để tạo racác enzyme cần thiết để sinh tổng hợp các thành phần không có sẵn trong môitrường Sau đó tế bào mới có thể phân cắt, ADN mới có thể tái tạo, nhưng việctổng hợp protein và ARN là chậm cho nên tế bào nhỏ lại và tổ chức lại sự traođổi chất của chúng cho đến khi chúng có thể sinh trưởng tiếp Sau đó sự sinhtrưởng cân bằng sẽ được hồi phục và trở về lại giai đoạn logarit

Các thí nghiệm trên đây cho thấy sự sinh trưởng của vi sinh vật đượckiểm soát một cách chính xác, phối hợp và phản ứng nhanh chóng với những sựbiến đổi của môi trường.

Khi sự sinh trưởng của vi sinh vật bị hạn chế bởi nồng độ thấp của cácchất dinh dưỡng cần thiết thì sản lượng tế bào cuối cùng sẽ tăng lên cùng với sựtăng lên của các chất dinh dưỡng bị hạn chế (hình 2a) Đây chính là cơ sở để sửdụng vi sinh vật trong việc định lượng vitamin và các nhân tố sinh trưởng khác.Tốc độ sinh trưởng cũng tăng lên cùng với sự tăng nồng độ các chất dinh dưỡng(hình2b) Hình dáng của đường cong hầu như phản ánh tốc độ hấp thu chất dinhdưỡng nhờ sự chuyển vận protein của vi sinh vật Lúc nồng độ chất dinh dưỡng

đủ cao thì hệ thống vận chuyển sẽ bão hòa và tốc độ sinh trưởng không tăng lêncùng với sự tăng lên của nồng độ chất dinh dưỡng

Hình 2: Nồng độ chất dinh dưỡng và sinh trưởng

(a )- Ảnh hưởng của sự hạn chế chất dinh dưỡng đối với sản lượng chung của vi sinh vật Lúc nồng độ đủ cao thì sản lượng chung sẽ đạt tới ổn định (b)- Ảnh hưởng của sự hạn chế chất dinh dưỡng tới tốc độ sinh trưởng.

c Giai đoạn Ổn định (Stationary Phase) hay Pha Cân bằng

Qua giai đoạn Logarit sự sinh trưởng của quần thể cuối cùng sẽ dừng lại,đường cong sinh trưởng đi ngang (hình 14.1) Nồng độ vi khuẩn trong giai đoạn

ổn định thường vào khoảng 109/ml Với các vi sinh vật khác thường không đạt

được đến nồng độ này Với động vật nguyên sinh và vi tảo thường chỉ đạt đếnnồng độ 10 6/ml Đương nhiên, số lượng tế bào cuối cùng quyết định bởi ảnhhưởng chung của điều kiện dinh đưỡng, chủng loại vi sinh vật và các nhân tốkhác Trong giai đoạn này số lượng tế bào sống là không thay đổi, có thể do sốlượng tế bào mới sinh ra cân bằng với số lượng tế bào chết đi, hoặc là tế bàongừng phân cắt mà vẫn giữ nguyên hoạt tính trao đổi chất.

Có nhiều nguyên nhân làm cho quần thể vi sinh vật chuyển sang giai đoạn

ổn định Trong đó nguyên nhân chủ yếu là sự hạn chế của chất dinh dưỡng Nếumột chất dinh dưỡng thiết yếu bị thiếu hụt nghiêm trọng thì sự sinh trưởng sẽchậm lại Vi sinh vật hiếu khí thường bị hạn chế bởi nồng độ oxygen Oxygenthường hòa tan ít trong nước, O2 trong nội bộ môi trường rất nhanh chóng bị tiêuthụ hết, chỉ có các vi sinh vật sinh trưởng ở bề mặt môi trường mới có đủ nồng

độ O2 để sinh trưởng Vì vậy khi nuôi cấy vi sinh vật phải sử dụng tới máy lắchay các biện pháp thông khí khác Quần thể vi sinh vật cũng có thể bị đình chỉsinh trưởng khi gặp sự tích lũy của các sản phẩm trao đổi chất có hại Một số vi

sinh vật kỵ khí (như Streptococcus) có thể lên men đường làm sản sinh một

lượng lớn acid lactic hay các acid hữu cơ khác, làm acid hóa môi trường và ứcchế sự sinh trưởng của vi sinh vật Đồng thời sự tiêu hao hết đường cũng làmcho tế bào đi vào giai đoạn ổn định Sau nữa là, một số chứng cứ cho thấy khi sốlượng vi sinh vật đạt đến một giới hạn nhất định thì sự sinh trưởng có thể bị đìnhchỉ Sự sinh trưởng của vi sinh vật chuyển sang giai đoạn ổn định có thể do kếtquả chung của rất nhiều nhân tố khác nhau

Như chúng ta.đã thấy vi khuẩn khi nuôi cấy theo mẻ sẽ chuyển sang giaiđoạn ổn định khi thiếu thức ăn Trong tự nhiên, do nhiều môi trường có nồng độchấ dinh dưỡng rất thấp nên vi sinh vật thường chuyển sang giai đoạn ổn định.Đối với vi khuẩn việc chuyển sang giai đoạn ổn định có thể là một loại thích ứngtốt Nhiều loại vi khuẩn không có sự biến hóa rõ rệt về hình thái (như hình thành

bào tử nội sinh-endospore) nhưng chúng có thể thu nhỏ kích thước lại, thường

do chất nguyên sinh co lại và nhân giả (nucleoid) đậm đặc lại Một biến đổiquan trọng hơn là, khi thiếu thức ăn vi khuẩn sẽ sinh ra một loại protein đói

(starvation proteins) làm cho tế bào đề kháng nhiều hơn với các thương tổn

bằng nhiều con đường khác nhau Chúng làm tăng các liên kết peptidoglycan và

sự bền vững của thành tế bào Chẳng hạn Dps (DNA-binding protein from starved cells), một loại protein kết hợp với ADN lấy từ các tế bào đói, có

thể bảo vệ cho ADN Phân tử Chaperones cản trở sự biến tính của protein và hồiphục lại được các protein bị tổn thương Vì những việc đó và nhiều cơ chế khác

mà các tế bào đói có thể khó bị chết đi và đề kháng được với tình trạng bị đói,với sự biến hóa của nhiệt độ, sự tổn thương về ôxy hóa và sự thẩm thấu, cũngnhư tăng sức đề kháng với các hóa chất có hại (như chlorine chẳng hạn) Nhữngcải biến này rất có hiệu quả và làm cho một số vi khuẩn có thể sống lại sau vàinăm bị đói Rõ ràng việc hiểu rõ những vấn đề này sẽ có tầm quan trọng thựctiễn to lớn đối với y học và vi sinh vật học công nghiệp Chúng còn có thể chứng

minh vi khuẩn thương hàn (Salmonella typhimurium) và nhiều vi khuẩn gây

bệnh khác có thể có khả năng gây bệnh mạnh hơn khi bị đói

d Giai đoạn tử vong (Death Phase)

Việc tiêu hao chất dinh dưỡng và việc tích lũy các chất thải độc hại sẽ làmtổn thất đến môi trường sống của vi sinh vật, làm cho số lượng tế bào sống giảmxuống Đó là đặc điểm của giai đoạn tử vong Giống như giai đoạn logarit, sự tửvong của quần thể vi sinh vật cũng có tính logarit (tỷ lệ tế bào chết trong mỗigiờ là không đổi) Tổng số tế bào sống và tế bào chết không thay đổi vì các tếbào chết chưa bị phân hủy Muốn xác định số lượng tế bào sống phải pha loãng

ra rồi cấy lên thạch đĩa và đưa vào điều kiện thích hợp để xác định số khuẩn lạcxuất hiện Mặc dù phần lớn vi sinh vật tử vong theo phương thức logarit nhưngsau khi số lượng tế bào đột nhiên giảm xuống thì tốc độ chết của tế bào chậmlại Đó là do một số cá thể sống lại nhờ có tính đề kháng đặc biệt mạnh Vì điều

này và những nguyên nhân khác làm cho đường cong của giai đoạn tử vong cóthể khá phức tạp.

2.2.2 Đường cong sinh trưởng, phát triển kép

Hiện tượng sinh trưởng kép thường gặp khi nuôi cấy vi khuẩn trong môitrường chứa nguồn carbon gồm một hỗn hợp của hai chất hữu cơ khác nhau Khisinh trưởng tế bào sẽ đồng hóa trước tiên nguồn carbon nào mà chúng “ưa thích”nhất Đồng thời cơ chất thứ nhất này đã kìm hãm các enzyme cần cho việc đồnghóa cơ chất thứ hai Chỉ sau khi nguồn carbon thứ nhất đã cạn thì nguồn carbonthứ hai mới có thể cảm ứng tổng hợp nên các enzyme cần trong việc chuyển hóa

nó Hiện tượng sinh trưởng kép không chỉ hạn chế ở các nguồn carbon và nănglượng mà thấy ở các nguồn nitơ và photpho Chẳng hạn Aerobacter aerogenes

có thể sử dụng nguồn nitơ là amino acid, muối ammon và nitrate Nếu khi cấychuyển vi khuẩn từ môi trường nước thịt sang môi trường chứa muối ammonhoặc nitrate thì pha lag sẽ biểu hiện Nếu từ môi trường nước thịt sang môitrường chứa hỗn hợp cả hai loại muối sẽ thấy có hiện tượng sinh trưởng kép.Các ion NH4+ được đồng hoá trước đồng thời kiềm chế việc tổng hợp cảm ứngenzyme nitrate - reductase Chỉ sau khi hết muối ammon trong môi trường thìmuối nitrate mới được sử dụng Sinh trưởng kép là hiện tượng phổ biến và cóthể giải thích bằng cơ chế kiềm chế nói chung và đặc biệt bằng hiệu ứngglucose Đặc trưng của hiện tượng sinh trưởng kép là đường cong sinh trưởnggồm hai pha lag và hai pha log Sau khi kết thúc pha log thứ nhất tế bào lại mởđầu pha lag thứ hai và tiếp tục pha log thứ hai

Hình 3: Đồ thị sinh trưởng kép của vi sinh vật

Tóm lại,

Pha lag được xem như pha thích nghi của vi sinh vật Đây là quá trình visinh vật tích lũy các chất dinh dưỡng từ môi trường bên ngoài để phục vụ chosinh trưởng

Pha log là khoảng thời gian mà ở đó tốc độ sinh trưởng của tế bào tăngdần, các tế bào sinh trưởng với một tốc độ cực đại và không đổi, thời kỳ nàyđược xem là pha sinh trưởng theo hàm mũ

Pha cân bằng xảy ra khi chất dinh dưỡng bị hao hụt và các sản phẩm độcđược tích lũy, tốc độ sinh trưởng của tế bào sẽ không đạt cực đại và cuối cùnglàm ngừng quá trình sinh trưởng, lúc này nuôi cấy đi vào pha tĩnh

Pha suy vong xảy ra khi các điều kiện bên ngoài môi trường không cònđáp ứng được cho nhu cầu tồn tại của sinh vật, chất độc tích tụ nhiều và tế bàorơi vào trạng thái suy vong

2.3 Động học phát triển của vi sinh vật trong công nghệ lên men

a Khái niệm

Động học quá trình lên men là khảo sát những thay đổi một số tính chất

và thông số của môi trường lên men cũng như của vi sinh vật theo thời gian

b Các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình lên men

Trong phần này chúng ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của hai yếu tố là hàmlượng cơ chất S và nhiệt độ T đến thông số quan trọng nhất của quá trình lênmen là vận tốc tăng trưởng riêng μ

 Ảnh hưởng của hàm lượng cơ chất

Bằng cảm tính, ta biết rằng khi có nhiều cơ chất thì vi sinh vật sẽ tăngtrưởng nhanh hơn Tuy nhiên mối quan hệ giữa S và μ không phải là tuyến tính

mà tuân theo phương trình Monod

Phương trình Monod là một phương trình thực nghiệm và được trình bàydưới dạng :

Trong phương trình này μmax và KS là các hằng số thực nghiệm Giá trị củachúng thay đổi tùy chủng ví sinh vật, môi trường và điều kiện nuôi cấy Phươngtrình Monod cũng có thể được minh họa như sau:

Trong phương trình Monod, KS còn được gọi là hằng số Monod hay độbão hòa

Trong suốt quá trình lên men, μ luôn thay đổi Tuy nhiên khi S có giá trịlớn so với KS thì sự thay đổi này không đáng kể Khi ấy ta có thể xem μ như làmột hằng số (giai đoạn tăng trưởng logarit).

Giá trị KS trong một số trường hợp được trình bày trên Bảng 1

Bảng 1 Giá trị của độ bão hòa KS trong một số trường hợp

E coli (khuyết dưỡng) Tryptophan 0,0011

A niger (khuyết dưỡng) Arginine 0,0005

cơ chất vượt qua một giới hạn Smin nào đó (Hình 3a)

 Có một số cơ chất tăng cường hoạt động của ví sinh vật ở nồng độ thấpnhưng sẽ ức chế lại vi sinh vật ở nồng độ cao, khi vượt quá giá trị tới hạn SC (thí

dụ glucoz) (Hình 3b)

 Khi khả năng khuếch tán hay hòa tan của cơ chất có giới hạn Điều nàythường xảy ra cho các cơ chất ở dạng khí như CO2 Trường hợp này cũng tồn tạimột nồng độ tới hạn SC (Hình 9c).

Hình 4: Một số trường hợp không nghiệm đúng phương trình MonodTrong các trường hợp ấy, ta cần hiệu chỉnh lại phương trình Monod

 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Như ta biết, quá trình lên men có bản chất là các phản ứng hóa học, nên

có nhiều quy luật hóa học có thể áp dụng cho quá trình lên men Ta biết vận tốcphản ứng hóa học W thay đổi theo nhiệt độ T và quan hệ giữa hai đại lượng nàytuân theo phương trình Arhenius :

Hình 5: Phương trình Arhenius

hay

Trong đó :

KW : một hằng số thực nghiệm,

Ea : năng lượng hoạt hóa,

R : hằng số khí lý tưởng,

T : nhiệt độ tuyệt đối,

đơn vị của Ea và R phải tương thích với nhau

Phương trình được biểu diễn bằng đồ thị trên Qua đó ta thấy khi nhiệt độ tăng, vận tốc phản ứng xẩy ra nhanh hơn

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính vi sinh vật

Do quá trình lên men sử dụng vi sinh vật nên vận tốc tăng trưởng còn chịuảnh hưởng của các tác nhân sinh học khác Vì thế phương trình Arhenius khôngnghiệm đúng trong một số trường hợp, đặc biệt khi nhiệt độ quá cao hoặc quáthấp Khi ấy cơ thể vi sinh vật có một số thay đổi, chẳng hạn như protein bị biếntính, các quá trình trao đổi chất trong vi sinh vật không còn hoạt động bìnhthường nữa Trong các trường hợp ấy, vận tốc quá trình lên men sẽ giảm đi,thậm chí rất nhanh (Hình 6a)

Hình 6 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính vi sinh vật

Như vậy sẽ có một nhiệt độ Tm để vận tốc tăng trưởng riêng đạt giá trị lớnnhất (Hình 6b)

2.4 Động học phát triển của vi sinh vật trong lên men theo mẻ

Vi sinh vật được cấy vào nồi lên men sau khi môi trường đã được chuẩn

bị Trong điều kiện nuôi cấy vô trùng và đảm bảo các điều kiện thích hợp visinh vật sẽ phát triển theo một đồ thị, điển hình gồm các giai đoạn :

 Pha lag : Trong pha này vi sinh vật chưa phân chia, tế bào thích ngi dầnvới điều kiện môi trường

 Pha tăng tốc tạm thời trong giai đoạn này mật độ vi sinh vật bắt đầu tăngnhanh

 Pha tăng trưởng hàm mũ vi sinh vật tăng trưởng với tốc độ cực đại

 Tăng trưởng chậm tốc độ tăng trưởng giảm so với tăng trưởng cực đại

 Pha ổn định, sự phát triển chậm lại hoặc dừng hẳn

 Pha chết, sự tăng trưởng dừng hẳn, tế bào bị phá hủy

Hình 7: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong lên men theo mẻ.

a Lên men từng mẻ

Trong phương pháp lên men từng mẻ, toàn bộ cơ chất, dưỡng chất và visinh vật được đưa vào ngay từ đầu quá trình lên men Trong quá trình lên menchỉ có sự cung cấp và lấy đi các khí (nếu có) và các dung dịch để duy trì pH củadịch lên men Như vậy ta xem như thể tích dịch lên men là không thay đổi theothời gian

b Lên men theo mẻ có bổ xung cơ chất & dưỡng chất