I. 3. 1,3 propanediol và các ứng dụng
I.7. Ảnh hưởng của các điều kiện quá trình tới sự lên men 1,3 PDO bởi Clostridia
Ảnh hưởng của pH
pH của môi trường lên men đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men.
pH của môi trường là yếu tố quan trọng cho quá trình hoạt động của vi sinh vật và quá trình lên men. Sự thay đổi pH sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển và hoạt động của vi sinh vật cũng nhƣ các sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra pH của môi trường lên men đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men Aceton- Ethanol- Butanol (Huang và các cộng sự 2004, Tashiro và các cộng sự 2004).
Nhƣ đã đề cập ở trên, quá trình lên men 1,3 PDO ở Clostridia bao gồm hai giai đoạn, ở giai đoạn sinh dung môi, các axit hữu cơ hình thành trước đây sẽ được chuyển thành các dung môi, điều này làm tăng pH của dịch lên men. Các nghiên cứu của Bahl (1982) và Ennis (1987) đã công bố sự sinh các axit hữu cơ tăng lên ở điều kiện pH cao hơn trong khi đó các dung môi hầu nhƣ sinh ra ở điều kiện pH thấp hơn và sự bổ sung các axit hữu cơ có thể ngăn ngừa sự thoái hóa c ủa Clostridia trong lên men ABE.
Do vậy việc bổ sung các axit hữu cơ như axit butyric giúp duy trì môi trương lên men có pH thấp và làm thay đổi quá trình chuyển hóa từ sinh axit sang sinh dung môi và sau đó là làm tăng sản lƣợng dung môi sinh ra. Tuy nhiên, dải pH phù hợp với việc hình thành dung môi thì phụ thuộc vào từng chủng và điều kiện môi trường lên men đƣợc sử dụng.
Theo nhƣ báo cáo của Bahl và các cộng sự (1982), Tashiro và các cộng sự (2004), bổ sung các axit hữu cơ như axit butyric hay axit acetic vào các môi trường của C.
acetobutylicum, C.beijerinckii và C.saccharoperbutylacetonicum N1-4 làm tăng sản lƣợng các dung môi trong quá trình lên men. Ví dụ nhƣ sản lƣợng butanol tăng từ 0,1g/ g glucose lên 0,42 g/ g glucose khi môi trường được bổ sung 5g/l axit butyric (Tashiro và các cộng sự, 2004).
Ảnh hưởng của sản phẩm axit thu được
Sự sinh ra ATP nhờ lên men đòi hỏi phải sử dụng các hợp chất hữu cơ nhƣ là chất nhận electron cuối quá trình, và sự giảm các axit hữu cơ giàu năng lƣợng sinh ra nhƣ là sản phẩm trao đổi chất cuối là nhờ vào đăc tính gây độc tự nhiên tới tế bào của axit. Ở dạng phân ly, các axit hữu cơ nhƣ là acetate và butyrate có khả năng tham gia vào c ấu trúc màng tế bào và hoạt động nhƣ là một móc nối cho phép proton từ môi trường đi vào tế bào (Huesemann và các cộng sự, 1986). Khi nồng độ của các axit dạng phân ly cao tới mức đáng kể, nó gây ra sự sụt giảm gradient pH dọc theo màng tế bào, điều này gây ra sự ức chế toàn bộ các chức năng trao đổi chất trong tế bào (Herrero và các cộng sự, 1985). Ở nồng độ thấp hơn, sự tích tụ của sản phẩm axit cuối và kết hợp với sự giảm pH gây ra sự giảm lũy tiến trong mật độ phát triển cho tới khi sự phát triển của tế bào bị tạm dừng hoàn toàn, mặc dù sự sử dụng cơ chất và trao đổi của tế bào vẫn còn tiếp tục. Đã có đề xuất là sự thay thế quá trình sản xuất hòa tan trong C. acetobutylicum và những chủng liên quan để đáp ứng thích nghi của tế bào tới các yếu tố ức chế sinh ra do các sản phẩm axit cuối quá trình (George và các cộng sự, 1983). Sự thay thế cho quá trình s ản xuất bằng các dung dịch hòa tan xuất hiện để tạo khả năng ho ạt động nhƣ một cơ chế khử độc nhằm cho phép tế bào trách các tác động ức chế có thể xuất hiện khi các s ản phẩm có tính axit cuối đạt tới mức độ gây độc. Sự bắt đầu của quá trình s ản sinh dung môi thường kết hợp với sự giảm pH của môi trường và liên quan tới sự tích tụ của axit ở cuối quá trình s ản xuất. Dưới những điều kiện này sẽ có càng nhiều axit tồn tại dưới dạng phân ly xuất hiện. Ở pH 6.0, chỉ có 6% tổng lƣợng axit butyric ở dạng phân ly, trong khi ở pH 4.5 dạng phân ly của axit này chiếm tới 66%. Gottchal và Morris (1981) chỉ ra rằng nếu cho thêm acetate và butyrate (đạt nồng độ 10 mM) vào canh trường lên men với chủng C. acetobutylicum với pH duy trì ở 5.0 sẽ tạo cảm ứng cho việc sinh ra dung môi hòa tan, nó kèm theo s ự giảm mật độ phát triển đặc trƣng và mật độ sản phẩm H2. Kết quả tương tự thu được trong các thí nghiệm khác với C.
acetobutylicum, và C. beijerinckii. Holt và các cộng sự (1984) đã chứng minh rằng sản xuất dung môi có thể được cảm ứng trong canh trường nuôi C. acetobutylicum với pH duy trì ở mức 7.0 khi mà môi trường được cung cấp nồng độ cao acetate và
butyrate. Trong lên men lien t ục ở độ pH thấp thích đáng, việc cung cấp thêm butyrate cũng gây ra biến đổi sinh dung môi (Martin, J.R và các cộng sự, 1982)..
Monot và các cộng sự (182) chỉ ra rằng, khi nồng độ của axit butyric dạng phân ly đạt tới mức 0.5-0.8 g/lít thì sự phát triển của tế bào bị ức chế và cảm ứng tạo dung môi xảy ra khi nồng độ của dạng phân ly của axit này đ ạt mức 1.5-1.9 g/lít. Tuy nhiên, những nhà nghiên cứu này cũng báo cáo rằng sự phát tiển của tế bào và sự sự sản sinh axit bị ức chế khi nồng độ dạng phân ly của axit butyric ở mức 0.2-0.4 g/lít, và sự sinh dung môi đƣợc khởi động khi nồng độ này đạt 0.5-1.5 g/lít (180, 181).
Sự tạo thành axit butyric dừng khi nồng độ dạng phân ly của axit này đạt tới 1.7-1.9 g/lít (161). Tuy nhiên mối quan hệ chặt chẽ giữa nồng độ dạng phân ly c ủa axit butyric trong môi trường ngoài và cảm ứng sinh ra dung môi chưa được kiểm soát ở các hệ thống thử nghiệm khác (67, 99). Monot và cộng sự (1982) đã sử dụng chất ức chế đặc hiệu liên kết trên màng ATPase để làm giảm pH nội bào, do đó làm tăng nồng độ của axit dạng phân ly trong tế bào. Chất này đã tỏ ra có hiệu quả trong việc giảm nồng độ sinh khối tối đa và nâng cao hiệu quả sản xuất dung môi. Ảnh hưởng của acetate và butyrate trong việc cảm ứng tạo dung môi cũng đƣợc nghiên cứu với phương pháp lên men liên tục, là phương pháp cho phép mức độ dị hóa là nhanh hay chậm nhờ vào sự thay đổi lượng đường cung cấp (Fond và các cộng sự, 1986).
Ở mức độ dị hóa chậm việc bổ sung acetate hay butyrate hay c ả hai hợp chất giúp nâng cao mức độ chuyển hóa sản xuất dung môi bằng nhân tố lên gấp 10 đến 20 lần, nhưng yêu cầu mức độ axit cao hơn nhiều lần so với canh trường với mức độ dị hóa nhanh. Trong lên men lien t ục với mức độ dị hóa cao, axit đƣợc tái đồng hóa ở nồng độ thấp và được khuyến cáo là canh trường với tốc độ dị hóa nhanh cacbonhydrat sẽ tích tụ axit nội bào với nồng độ cao hơn (Fond và các cộng sự, 1986).
Ảnh hưởng của cơ chất
Sự ảnh hưởng giới hạn của chất dinh dưỡng vào lúc bắt đầu và duy trì quá trình sản xuất dung môi đã đƣợc chứng minh ở lên men gián đoạn và lên men liên tục. Trong lên men gián đoạn (Long và các cộng sự, 1984) và lên men liên t ục (Bahl H, 1984), duy nhất axit đƣợc sản xuất khi nguồn cacbon bị giới hạn. Trong lên men gián đoạn, khi glucose ở nồng độ khoảng 7g/lít chƣa đạt tới mức nồng độ yêu cầu
để bắt đầu sinh dung môi, kết quả tương tự thu được với phương pháp lên men liên tục.
Ảnh hưởng giới hạn của N chưa được sáng tỏ. Trong nghiên cứu về ảnh hưởng của N giới hạn trong lên men gián đoạn, Long và các cộng sự quan sát được rằng khi nồng độ NH3 giảm đến một mức làm lƣợng sinh khối sẽ bị giảm, lƣợng đường chuyển hóa cũng giảm và còn dư lại trong quá trình lên men. Ở nồng độ NH3 thấp (9 mM), dưới 1/3 lượng đường có trong môi trường được tiêu thụ và tế bào không thể bắt đầu tạo ra đƣợc dung môi. Việc mất khả năng sinh dung môi ở điều kiện này xuất hiện bởi không đạt đƣợc ngƣỡng nồng độ cho phép của sản phẩm axit Ảnh hưởng của nhiệt độ
Thông thường các vi sinh vật ở điều kiện yếm khí thường hoạt động ở hai giải nhiệt độ: từ 35- 37°C ( mesophilic) và dải nhiệt độ từ 55- 60°C ( themophilic).
Các vi sinh vật mesophilic đƣợc sử dụng để sản xuất dung môi tránh sự thất thoát dung môi ở nhiệt độ cao, trong khi đó, các vi sinh vật thermophilic đƣợc sử dụng trong lên men biogas (J.Mata- Alvarez, 2000).
PHẦN II