Trong quá trình lên men theo mẻ, lượng cơ chất (và/hay dưỡng chất) bị giảm dần và vận tốc giảm cơ chất tỷ lệ thuận với hàm lượng sinh khối khô:

`(dS)/dt=-q_S X`

(21)

Hay :`q_S= -1/X (dS)/dt `(22)

Trong các công thức (21) và (22), `q_S` là vận tốc tiêu thụ cơ chất ứng với 1 đơn vị khối lượng sinh khối khô (vận tốc tiêu thụ cơ chất riêng).

 

Cơ chất được tiêu thụ để sử dụng vào những việc sau:

• Để tạo ra sự tăng trưởng của vi sinh vật. Nếu trong một đơn vị thời gian, lượng sinh khối khô tạo ra là `dX` thì lượng cơ chất cần dùng là `(mu X)/Y_(X//S)` với `Y_(X//S)` là lượng sinh khối khô tạo ra từ 1 đơn vị cơ chất.
• Để tạo ra sản phẩm. Nếu trong một đơn vị thời gian, lượng sản phẩm tạo ra là `dP` thì lượng cơ chất cần dùng là `(q_P X)/Y_(P//S)` với `Y_(P//S)` là lượng sản phẩm tạo ra từ 1 đơn vị cơ chất.
• Để duy trì hoạt tính của vi sinh vật. Do lượng vi sinh vật được đặc trưng bằng `X` nên trong một đơn vị thời gian, lượng cơ chất cần sử dụng là `mX` với `m` là lượng cơ chất cần dùng để duy trì hoạt tính của một đơn vị khối lượng vi sinh vật.

 

Cân bằng cơ chất trong trường hợp tổng quát được thể hiện trên Hình 7

Hình 7 Cân bằng cơ chất

Xét một thiết bị lên men, chứa một lượng dịch lên men là `V`. Dòng vào thiết bị có lưu lượng là `F_i`, dòng rời khỏi thiết bị có lưu lượng là `F_o`. Hàm lượng cơ chất trong dòng vào và dòng ra lần lượt là `S_i` và `S_o`. Trong một đơn vị thời gian, với mỗi đơn vị thể tích của dịch lên men, ta có:

• lượng cơ chất mang vào bởi dòng vào:  `(F_iS_i) / V`
• lượng cơ chất bị mất đi để vi sinh vật có thể tăng trưởng:  `(mu X) / Y_(X//S)`
• lượng cơ chất bị mất đi để tạo sản phẩm mới:  `(q_S X) / Y_(P//S)`
• lượng cơ chất bị mất đi để duy trì hoạt tính của vi sinh vật:  `mX`
• lượng sinh khối khô do dòng ra mang đi:  `(F_oS_o) / V`

Cân bằng cơ chất trong một đơn vị thời gian của thiết bị này cho ta:

`(dS)/dt=(F_iS_i)/V-(mu X)/Y_(X//S)-(q_p X)/Y_(P//S) -mX-(F_oS_o)/V`

(23)

Hay :

`q_S=-(F_iS_i)/(XV)+mu/Y_(X//S)+q_p /Y_(P//S) +m+(F_oS_o)/(XV)`

(24)

 

Hiệu quá sử dụng cơ chất được đánh giá qua các hệ số chuyển hóa cơ chất `Y_(X//S)` và `Y_(P//S)`.

`Y_(X//S)`

`Y_(X//S)` là khối lượng sinh khối khô thu được từ một đơn vị cơ chất.

`Y_(X//S)=-(dX)/(dS)=((dX)/dt) / (-(dS)/dt) = mu/q_S=(Delta X)/(Delta S)`

(25)

Hệ số `Y_(X//S)` trong một số trường hợp được trình bày trên Bảng 2.

Bảng 2 Hệ số `Y_(X//S)` trong một số trường hợp

Vi sinh vật	Cơ chất	`Y_(X//S)`
Aerobacter aerogenes	Glucoz	0,40
Saccharomyces cerevisiae	Glucoz (hiếu khí)	0,50
Candida utilis	Glucoz	0,51
Candida utilis	Axit axetic	0,36
Candida utilis	Etanol	0,68
Pseudomonas fluorescens	Glucoz	0,38

Ghi chú : Đơn vị của `Y_(X//S)` là kg sinh khối khô / kg cơ chất

Trong trường hợp cơ chất chính là nguồn C và vi sinh vật không tạo ra sản phẩm nào khác (ngoài sinh khối) thì giá trị lý thuyết của `Y_(X//S)` được tính như sau (Scragg, 1991):

• Viết phương trình oxy hóa cơ chất bằng oxy trong đó sản phẩm oxy hóa của C là CO₂ và của hydro là H₂O.
• Từ phương trình này ta xác định được số mol oxy cần thiết để oxy hóa 1 mol cơ chất.
• Mỗi mol oxy sẽ tương ứng với 4 mol "electron khả dụng".
• Thực nghiệm cho thấy mỗi mol "electron khả dụng" tạo ra được 3,14 ± 0,11 g sinh khối khô (không bao gồm chất khoáng)

Thí dụ cho trường hợp của glucoz:

• Glucoz bị oxy hóa bởi oxy theo phản ứng
      C₆H₁₂O₆ + 6 O₂  →  6 CO₂ + 6 H₂O
• Vậy để oxy hóa hoàn toàn 1 mol glucoz, ta cần 6 mol oxy, tương ứng với
  4 × 6 = 24 mol "electron khả dụng"
• Do đó lượng sinh khối khô (không bao gồm chất khoáng) lý thuyết tạo ra khi vi sinh vật sử dụng 1 mol glucoz (180 g glucoz) là 24 × 3,14 = 75,36 g
• Do đó giá trị lý thuyết của `Y_(X//S)` trong trường hợp cơ chất là glucoz là:
      `Y_(X//S) = (75,36) / 180 = 0,4187`

`Y_(P//S)`

`Y_(P//S)` là lượng sản phẩm thu được từ một đơn vị cơ chất.

`Y_(P//S)=-(dP)/(dS)=((dP)/dt) / (-(dS)/dt) = q_P/q_S=(Delta P)/(Delta S)`

(25)

Giá trị lý thuyết của thông số này được xác định dựa vào phản ứng chuyển hóa của quá trình lên men.

Thí dụ

Một chủng nấm men B được nuôi trên cơ chất glyxerol. Trong khoảng thời gian 6 giờ của giai đoạn tăng trưởng logarit, hàm lượng sinh khối khô tăng từ 0,2 g/L đến 2,8 g/L. Cũng trong thời gia đó, người ta thấy nồng độ glyxerol giảm đi 4,5 g/L.

1. Xác định vận tốc tăng trưởng riêng của quá trình lên men này (đơn vị 1/h).

Kết quả Thử lại

Lời giải

2. Xác định giá trị của `Y_(X//S)` của quá trình này.

Kết quả Thử lại

Lời giải

3. Xác định vận tốc tiêu thụ cơ chất riêng của quá trình này (đơn vị là 1/h).

Kết quả Thử lại

Lời giải