Các quá trình và thiết bị công nghệ sinh học : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT VI SINH VẬT part 4 docx

23
Vç:
r
i
loglog
N
N
=

Cọ thãø viãút:

oir
loglog
N
C
t
N
+
=


ior
loglog C
t
N
N
=
−

C
N
N
t
or
i
loglog
−
=
Thay giạ trë ca t
i
vo phỉång trçnh (11), ta cọ :
C
N
N
tTL
or
r
loglog
−
−=
Nhỉ váûy trong vng sinh tỉåíng logarit ,chè cáưn chn mäüt giạ trë t
r
thêch håüp v nãúu
biãút âỉåüc giạ trë N
r
tỉång ỉïng cng våïi hàòng säú täúc âäü phán chia C, ta cọ thãø tênh âỉåüc
âäüü di ca pha lag TL .
Tuy nhiãn thåìi gian váût l (h) khäng phi l giạ trë âo thêch håüp ca pha lag. Vç
váûy ngỉåìi ta thỉåìng âo pha lag bàòng âån vë thåìi gian sinh hc nhỉ thåìi gian tàng gáúp

âäi, thåìi gian thãú hãû, hàòng säú täúc âäü sinh trỉåíng. Biãút thåìi gian thãú hãû (
g) ta cọ thãø xạc
âënh âäü di thåìi gian ca pha lag (
TL) gáúp máúy láưn thåìi gian thãú hãû. Âải lỉåüng ny gi l
lag sinh trỉåíng.
Cọ ráút nhiãưu úu täú nh hỉåíng âãún pha lag, nhỉng ba úu täú âạng chụ nháút gäưm:
tøi cáúy giäúng, lỉåüng cáúy giäúng (trong cäng nghiãûp lãn men, t lãûû cáúy giäúng thỉåìng åí
mỉïc 1/10) v thnh pháưn mäi trỉåìng.
1.5.1.2. Pha log
Trong pha ny vi khøn sinh trỉåíng v phạt triãøn theo lu thỉìa, nghéa l sinh khäúi
v säú lỉåüng tãú bo tàng theo phỉång trçnh: N = N
o
.2
ct
hay X = X
o
.C
µ
t
. Trong pha ny
kêch thỉåïc ca tãú bo, thnh pháưn hoạ hc, hoảt tênh sinh l khäng thay âäøi theo
thåìi gian.
Nãúu láúy trủc tung l logarit ca säú tãú bo thç âỉåìng biãøu diãùn sinh trỉåíng theo lu
thỉìa ca vi khøn s l âỉåìng thàóng. Vç pha sinh trỉåíng theo lu thỉìa ca vi khøn âỉåüc
biãøu diãùn bàòng sỉû phủ thüc theo âỉåìng thàóng giỉỵa thåìi gian v logarit ca säú tãú bo nãn
pha ny âỉåüc gi l pha logarit. Thỉåìng dng logarit cå säú 2 l thêch håüp hån c vç sỉû
thay âäøi mäüt âån vë ca log
2
trãn trủc tung chênh l sỉû tàng âäi säú lỉåüng vi khøn v thåìi
gian cáưn âãø tàng mäüt âån vë ca log

2
lải l thåìi gian thãú hãû.
Thåìi gian thãú hãû (hồûc thåìi gian tàng âäi) g, hàòng säú täúc âäü phán chia C v hàòng
säú täúc âäü sinh trỉåíng
µ
l ba thäng säú quan trng ca pha log. Cạc hàòng säú C v µ cọ

24
thóứ tờnh õổồỹc tổỡ phổồng trỗnh:

()
122
1222
log
loglog
tte
X
X


=
à

Trong õióửu kióỷn thờ nghióỷm coù thóứ õióửu chốnh sao cho tọỳc õọỹ sinh trổồớng cuớa vi
khuỏứn chố mỏựn caớm, nghộa laỡ chố phuỷ thuọỹc vaỡo mọỹt yóỳu tọỳ. Trong trổồỡng hồỹp nhổ vỏỷy
yóỳu tọỳ õaợ cho laỡ yóỳu tọỳ haỷn chóỳ tọỳc õọỹ sinh trổồớng. Chỏỳt dinh dổồợng haỷn chóỳ coù thóứ laỡ
õổồỡng, axit amin, chỏỳt vọ cồ.
Mọỳi quan hóỷ giổợa caùc hũng sọỳ C vaỡ
à
vồùi nọửng õọỹ chỏỳt dinh dổồợng haỷn chóỳ õổồỹc

bióứu dióựn qua caùc phổồng trỗnh:

[
]
[]
SK
S
CC
+
=
S
max

Vaỡ
[
]
[]
SK
S
+
=
S
max
àà

trong õoù: C
max
vaỡ
à
max

- hũng sọỳ tọỳc õọỹ phỏn chia vaỡ hũng sọỳ tọỳc õọỹ sinh trổồớng cổỷc õaỷi;
K
S
- hũng sọỳ baợo hoaỡ vaỡ
[
]
S laỡ nọửng õọỹ chỏỳt dinh dổồợng haỷn chóỳ.
1.5.1.3. Pha ọứn õởnh
Trong pha naỡy quỏửn thóứớ vi khuỏứn ồớ traỷng thaùi cỏn bũng õọỹng hoỹc. Sọỳ tóỳ baỡo mồùi
sinh ra bũng sọỳ tóỳ baỡo cuợ chóỳt õi. Kóỳt quaớ laỡ sọỳ tóỳ baỡo vaỡ caớ sinh khọỳi khọng tng cuợng
khọng giaớm.
Nguyón nhỏn tọửn taỷi cuớa pha ọứn õởnh laỡ do sổỷ tờch luyợ caùc saớn phỏứm õọỹc cuớa trao
õọứi chỏỳt vaỡ vióỷc caỷn kióỷt chỏỳt dinh dổồợng.
Sổỷ tng sinh khọỳi tọứng cọỹng tyớ lóỷỷ thuỏỷn vồùi nọửng õọỹ ban õỏửu cuớa chỏỳt dinh dổồợng
haỷn chóỳ.
G = K.C
trong õoù: G - õọỹ tng sinh khọỳi tọứng cọỹng;
C - nọửng õọỹ ban õỏửu cuớa chỏỳt dinh dổồợng haỷn chóỳ;
K - hũng sọỳ hióỷu suỏỳt:

C
G
K =
Hũng sọỳ hióỷu suỏỳt K thổồỡng õổồỹc bióứu thở bũng sọỳ miligam chỏỳt khọ õọỳi vồùi 1 mg
chỏỳt dinh dổồợng. ọỳi vồùi caùc loaỷi õổồỡng,
K thổồỡng dao õọỹng trong khoaớng tổỡ 0,20 õóỳn
0,30 nghộa laỡ tổỡ 100 g õổồỡng õổồỹc taỷo thaỡnh 20 ữ 30 mg khọỳi lổồỹng khọ cuớa tóỳ baỡo.
Lổồỹng sinh khọỳi õaỷt õổồỹc trong pha ọứn õởnh goỹi laỡ hióỷu suỏỳt hoỷc saớn lổồỹng. Saớn lổồỹng

25

phuỷ thuọỹc vaỡo tờnh chỏỳt vaỡ sọỳ lổồỹng caùc chỏỳt dinh dổồợng sổớ duỷng vaỡ vaỡo õióửu kióỷn nuọi
cỏỳy. où laỡ sổỷ sai khaùc giổợa sọỳ lổồỹng vi khuỏứn cổỷc õaỷi vaỡ khọỳi lổồỹng vi khuỏứn ban õỏửu
(hỗnh 1.9 ):
X

= X
max
X
o

Tyớ lóỷỷ saớn lổồỹng cuớa tóỳ baỡo õọỳi vồùi lổồỹng cồ chỏỳt tióu duỡng coù yù nghộa rỏỳt quan
troỹng. Nóỳu bióứu thở caớ hai õaỷi luồỹng thaỡnh õồn vở khọỳi lổồỹng vaỡ seợ goỹi tyớ lóỷỷ naỡy (X/S) laỡ
hóỷ sọỳ kinh tóỳ (Y). Nóỳu tờnh saớn lổồỹng ra
gam vaỡ cồ chỏỳt tióu duỡng ra mol thỗ õổồỹc
goỹi laỡ hóỷ sọỳ kinh tóỳ mol (Y
m
). Nóỳu bióỳt
con õổồỡng phỏn huyớ cồ chỏỳt õaợ cho vaỡ
hióỷu suỏỳt ATP do kóỳt quaớ cuớa sổỷ phỏn huyớ
naỡy, coù thóứ tờnh õổồỹc sinh khọỳi vi khuỏứn
(gam) õọỳi vồùi 1 mol ATP. Ta goỹi õoù laỡ hóỷ
sọỳ nng lổồỹng (Y
ATP
).
1.5.1.4. Pha tổớ vong
Trong pha naỡy sọỳ lổồỹng tóỳ baỡo coù khaớ nng sọỳng giaớm theo luyợ thổỡa. Chổa coù mọỹt
quy luỏỷt chung cho pha tổớ vong. Sổỷ chóỳt cuớa tóỳ baỡo coù thóứ nhanh hay chỏỷm, coù lión quan
õóỳn sổỷ tổỷ phỏn hay khọng tổỷ phỏn. Trong trổồỡng hồỹp mọi trổồỡng tờch luợy caùc axit laỡ
nguyón nhỏn laỡm chóỳt tóỳ baỡo tổồng õọỳi roợ thỗ nọửng õọỹ chỏỳt dinh dổồợng thỏỳp dổồùi mổùc
cỏửn thióỳt vaỡ hỏỷu quaớ laỡ giaớm hoaỷt tờnh trao õọứi chỏỳt, phỏn huyớ dỏửn dỏửn caùc chỏỳt dổỷ trổợ vaỡ

cuọỳi cuỡng dỏựn õóỳn sổỷ chóỳt haỡng loaỷt cuớa tóỳ baỡo. Ngoaỡi õỷc tờnh cuớa baớn thỏn chuớng vi
sinh vỏỷt, tờnh chỏỳt cuớa caùc saớn phỏứm trao õọứi chỏỳt tờch luyợ laỷi cuợng aớnh hổồớng õóỳn tióỳn
trỗnh cuớa pha tổớ vong.
1.5.2. Sinh trổồớng vaỡ phaùt trióứn cuớa vi khuỏứn trong quaù trỗnh nuọi cỏỳy
lión tuỷc
Trong thổỷc tióứn saớn xuỏỳt cỏửn cung cỏỳp cho vi sinh vỏỷt nhổợng õióửu kióỷn ọứn õởnh õóứ
trong mọỹt thồỡi gian daỡi chuùng vỏựn coù thóứ sinh trổồớng trong pha log. Dộ nhión ồớ mọỹt mổùc
õọỹ naỡo õoù coù thóứ cỏỳy chuyóửn tóỳ baỡo nhióửu lỏửn vaỡo mọi trổồỡng dinh dổồợng mồùi. ồn giaớn
hồn nón õổa lión tuỷc mọi trổồỡng dinh dổồợng mồùi vaỡo bỗnh nuọi cỏỳy vi khuỏứn õọửng thồỡi
loaỷi khoới bỗnh mọỹt lổồỹng tổồng ổùng dởch vi khuỏứn. ỏy chờnh laỡ cồ sồớ cuớa phổồng phaùp
nuọi cỏỳy lión tuỷc trong caùc thióỳt bở nuọi cỏỳy lión tuỷc.
Giaớ sổớ coù mọỹt bỗnh nuọi cỏỳy trong õoù vi khuỏứn õang sinh trổồớng, phaù
t trióứn. Lión
tuỷc bọứ sung vaỡo bỗnh mọi trổồỡng mồùi coù thaỡnh phỏửn khọng õọứi. Thóứ tờch bỗnh nuọi cỏỳy
khọng õọứi, nghộa laỡ lổồỹng mọi trổồỡng õổồỹc bọứ sung cỏn bũng vồùi lổồỹng mọi trổồỡng õi ra
cuỡng tọỳc õọỹ.
log
X

logX
max
logX
o
log
X

H
ỗnh 1.9 .Tờnh saớn lổồỹng cuớa
vi khuỏứn

t

26
Gi thãø têch bçnh l V (lêt), täúc âäü dng mäi trỉåìng âi vo l f

(lêt/hì) thç täúc âäü pha
long (hãû säú pha long) D s l f/V. Âải lỉåüng D biãøu thë sỉû thay âäøi thãø têch sau 1 giåì.
Nãúu vi khøn khäng sinh trỉåíng v phạt triãøn, chụng s bë rụt khi bçnh ni cáúy
våïi täúc âäü:
DX
t
x
V =−=
−
d
d

trong âọ :
X - l sinh khäúi tãú bo, g/l.
Täúc âäü sinh trỉåíng ca qưn thãø vi khøn trong bçnh âỉåüc biãøu diãùn båíi phỉång
trçnh:

X
t
x
V
µ
==
+
d

d

Täúc âäü thay âäøi cúi cng (tàng hồûc gim) máût âäü vi khøn trong ni cáúy liãn
tủc l sỉû sai khạc giỉỵa täúc âäü tàng
+
V v täúc âäü gim
−
V :

()
XD
t
x
VVV −==−=
−+
µ
d
d

Nãúu
µ > D thç giạ trë V = dx/dt cọ giạ trë dỉång, nghéa l máût âäü vi khøn trong
bçnh tàng, ngỉåüc lải nãúu
µ
< D, V s cọ giạ trë ám v máût âäü vi khøn trong bçnh gim.
Trong trỉåìng håüp âàûc biãût
µ
= D, ta cọ V = 0, nghéa l máût âäü tãú bo khäng tàng khäng
gim theo thåìi gian, qưn thãø vi khøn åí trảng thại cán bàòng âäüng hc.
Nãúu bçnh thê nghiãûm cọ thiãút bë duy trç sao cho
µ ln ln bàòng D, ta s thu âỉåüc

qưn thãø vi khøn sinh trỉåíng v phạt triãøn theo lu thỉìa thỉåìng xun åí máût âäü tãú bo
khäng âäøi v khäng phủ thüc vo thåìi gian. Trong trỉåìng håüp nhỉ váûy khäng nhỉỵng
kêch thỉåïc trung bçnh ca tãú bo m c mäi trỉåìng ni cáúy âãưu khäng âäøi v khäng
phủ thüc vo thåìi gian. Âiãưu ny, mäüt màût tảo âiãưu kiãûn cho viãûc nghiãn cỉïu sinh
trỉåíng v sinh l ca tãú bo vi khøn, màûc khạc ci thiãûn quạ trçnh sn xút sinh khäúi vi
sinh váût åí quy mä cäng nghiãûp.
Ni cáúy ténh âỉåüc coi nhỉ hãû thäúng âọng, qưn thãø tãú bo sinh trỉåíng trong âọ
phi tri qua cạc pha måí âáưu, logarit, äøn âënh v tỉí vong. Mäùi pha sinh trỉåíng âỉåü
c âàûc
trỉng båíi nhỉỵng âiãưu kiãûn nháút âinh. Viãûc tỉû âäüng hoạ cạc pha l khọ thỉûc hiãûn. Ni
cáúy liãn tủc, trại lải, l hãû thäúng måí cọ khuynh hỉåïng dáùn âãún viãûc thiãút láûp mäüt cán
bàòng âäüng hc. úu täú thåìi gian åí âáy, trong phảm vi nháút âënh, bë loải trỉì. Tãú bo âỉåüc
cung cáúp nhỉỵng âiãưu kiãûn khäng âäøi, nhåì viãûc âiãưu chènh tỉû âäüng.
Cọ thãø biãøu thë bàòng toạn hc quạ trçnh ni cáúy liãn tủc mäüt cạch âån gin nhỉ
sau:

27
G
o
d
d
d
d






+=

t
x
VQXQX
t
x
V

V - thóứ tờch dởch nuọi, l.
Q - hóỷ sọỳ doỡng chaớy, l/ h.
G - bióứu thở tng trổồớng.
C
d
d
d
d






+=

t
s
VQSQS
t
x
V
o

C - bióứu thở tióu hao.
Bồới vỗ
X
Y
X
t
x
X
t
x
t
s
C
à
SX
1

d
d1
d
d
1
d
d
=




















=

Y
x/S
= g sinh khọỳi/ g cồ chỏỳt.
Thay thóỳ vaỡo vaỡ coi
0
d
d
=
t
s
, ta coù :

SS
X
s
x
Y

==
0
SX
d
d

traỷng thaùi ọứn õởnh, hióỷu suỏỳt sinh trổồớng coù thóứ bióứu õaỷt bũng lổồỹng sinh khọỳi
X
vaỡ nọửng õọỹỹ cồ chỏỳt
S. Theo mọ hỗnh cuớa Monod thỗ:










=
+
==
Dm
D
KS
SK
S
mD
à
àà
S
S

Thay thóỳ vaỡo cọng thổùc tờnh
Y

X/S
, ta coù:

()















==
Dm
D
KSYSSYX
à
SoSXoSX

Suy ra õồn vở thồỡi gian õóứ thu õổồỹc sinh khọỳi laỡ:

=
Dm
D
KSDYD
Sx
à
SoX

ọửng thồỡi coù thóứ bióỳt õổồỹc luùc:

+
=
oS
S
m
1
Sk
k
mD
à
thỗ D
X
laỡ sinh khọỳi cổỷc õaỷi.