Động học quá trình xử lý nhiệt

Một trong các biện pháp hiệu quả để tiêu diệt vi sinh vật là sử dụng nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao làm biến tính protein trong cơ thể vi sinh vật, hủy hoại các chức năng sống và chúng bị tiêu diệt. Do đó xử lý nhiệt dùng hơi nước làm chất tải nhiệt là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để tiệt trùng môi trường lên men.

Động học quá trình xử lý nhiệt

 

Khi xử lý nhiệt, biến đổi quan trọng nhất trong cơ thể vi sinh vật làm chúng bị tử vong chính là sự biến tính protein, phân tử cơ bản của chức năng sống. Vì vậy sự tiêu diệt vi sinh vật có thể đặc trưng bằng phản ứng:

Protein  →  Protein biến tính

Các nghiên cứu cho thấy nếu ta duy trì nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình xử lý nhiệt, phản ứng này có bậc động học là 1. Khi ấy ta có thể đặc trưng quá trình này bằng phương trình động học bậc 1 như sau:

`(dN)/dt=-kN `(1)

Trong phương trình (1) :

  • `N` : số vi sinh vật hay mật độ vi sinh vật sử dụng làm chuẩn vẫn còn sống trong đối tượng cần xử lý nhiệt tại thời điểm `t`,
  • `k` : hệ số động học của quá trình.

Sắp xếp lại phương trình (1) :

`(dN)/N=-k dt`(2)

Lấy tích phân phương trình (2) :

`int_(N_0)^N=int_0^t -k dt`

Ta thu được kết quả :

`ln\ N/N_0 =-kt`(3)

Hay`N=N_0 e^(-kt)`(4)

   

t NNo

Hình 1 Động học
quá trình xử lý nhiệt

Hình 1 trình bày đường cong động học của quá trình xử lý nhiệt (phương trình (4)).


Thời gian giảm thập phân

 

Ta chuyển phương trình (3) từ logarit tự nhiên (cơ số e) về logarit thập phân (cơ số 10) ta thu được:

`log N=log N_0 -At `(5)

Với `A=k/(2,306)=0,4343\ k`(6)

Nếu ta biểu diễn phương trình (5) trên đồ thị, trong đó trục tung là log N thì ta có được một đường thẳng với hệ số góc là `-A` (Hình 2).

Trên đường thẳng này, ta lấy 2 điểm P và Q sao cho khoảng cách thẳng đứng là 1. Do đó:

`log N_P=log N_0 -At_P`(a)

`log N_Q=log N_0 -At_Q`(b)

Trừ hai phương trình này ta có :

`log N_P - log N_Q = A (t_Q - t_P) = A t_(PQ) = 1`

   

t log Nlog N0 PQ1D

Hình 2 Động học
quá trình xử lý nhiệt

Nhận xét rằng khi P và Q thay đổi nhưng nếu khoảng cách thẳng đứng giữa hai điểm này vẫn là 1 thì `t_(PQ)` cũng không thay đổi. Ta gọi giá trị này là `D`.

Vậy :`AD=1`(7)

Hay :`A=1/D`(8)

Phương trình (5) trở thành :

`log N=-1/D t+log N_0`(9)

Ý nghĩa của `D`

Ta có :   `log N_P-logN_Q=log\ N_P/N_Q=1`

Nên`N_P/N_Q=10`(10)

Vậy `D` là thời gian xử lý để số vi sinh vật giảm đi 10 lần. Vì thế, `D` còn được gọi là thời gian giảm thập phân. Đơn vị phổ biến của `D` là phút.

Đối chiếu (6) và (7), ta có :

`D=1/A=1/(0,4343\ k)=(2,306)/k `(11)

Thời gian xử lý nhiệt

 

Độ giảm thập phân

Xét môi trường lên men có số vi sinh vật lúc ban đầu là `N_0`. Sau khi tiệt trùng số vi sinh vật là `N_f`. Người ta định nghĩa độ giảm thập phân n như sau:

`N_0/N_f=10^n`   hay   `log\ N_0/N_f =n`(12)

Ghi chú : Ngoài độ giảm thập phân `n`, người ta còn sử dụng độ giảm `grad` với:

    `ln\ N_0/N_f = grad`(13)

Từ mối tương quan giữa hai loại logarit, ta có:

`grad = 2,3026\ n`(14)

Thời gian xử lý nhiệt

Để xác định thời gian xử lý nhiệt `t` để giảm số vi sinh vật từ `N_0` còn `N_f`, ta áp dụng công thức (9):

    `log N_f= -1/D t+log N_0`

Do đó :   `log\ N_0/N_f=t/D=n`

Vậy :`t=nD`(15)

Khái niệm "Sác xuất bị nhiễm"

Khi tiệt trùng, ta muốn rằng giá trị `N_f` càng bé càng tốt. Tuy vậy khi `N < 1`, sử dụng thuật ngữ "số vi sinh vật" không được hợp lý. Khi ấy, ta sử dụng thuật ngữ "sác xuất bị nhiễm". Xác suất bị nhiễm là xác suất để có 1 vi sinh vật trong môi trường lên men. Về mặt bản chất, thuật ngữ này cũng thể hiện giá trị của `N`. Tuy vậy cần lưu ý về đơn vị: `N` có thể là số vi sinh vật hay mật độ (như số vi sinh vật trong một lít), nhưng đơn vị của sác xuất bị nhiễm chỉ là số vi sinh vật.

Giá trị phổ biến của sác xuất bị nhiễm khi tiệt trùng môi trường lên men là 0,001.


Thí dụ

 

Thí nghiệm tiệt trùng cho môi trường lên men với đối tượng là chủng vi sinh vật lây nhiễm X cho thấy thời gian tiệt trùng để giảm số lượng X từ 560.000 1/L xuống còn 45 1/L là 5 phút.

1. Thời gian giảm thập phân của chủng vi sinh vật này trong điều kiện tiệt trùng của phòng thí nghiệm là bao nhiêu phút ?

Lời giải

Để xác định thời gian giảm thập phân `D`, ta dựa vào công thức (15).

Từ   `t = nD`   ta có   `D = t / n`

Độ giảm thập phân `n` của thí nghiệm này là:

    `n=log\ N_0/N_f=log\ 560.000/45=4,095`

Vậy :   `D=t/n=5/(4,095)=1,22\ "min"`


2. Kết quả này được áp dụng cho quy trình thực tế với thùng lên men có thể tích là 600 lít. Ban đầu, số lượng X trong môi trường lên men là 106 1/L. Để đạt yêu cầu, người ta cần tiệt trùng đến khi xác suất bị nhiễm là 0,001. Hỏi thời gian tiệt trùng tối thiểu là bao nhiêu phút.

Lời giải

Ta cũng sử dụng công thức (15) để tính thời gian tiệt trùng. Trong trường hợp này ta có:

  • `N_f = 0,001`
  • Vì `N_f` là số vi sinh vật trong nồi lên men nên `N_0` cũng phải có cùng đơn vị. Do đó:
        `N_0 = = 10^6 xx 600 = 6xx10^8`

    `n=log\ N_0/N_f=log\ (6xx10^8)/(0,001)=11,78`

Vậy :  `t = 11,78 xx 1,22 = 14,37\ "min"`




Trang web này được cập nhật lần cuối ngày 01/01/2019