Công nghệ tế bào C4

Chương 4

Thiết kế hệ lên men

I. Hệ lên men thùng khuấy

Nồi phản ứng sinh học (bioreactor) hay còn gọi là hệ lên men

(fermenter) là loại thiết bị mà trong nó sự biến đổi hóa sinh được tiến hành

bởi các tế bào sống hoặc các thành phần tế bào in vivo (enzyme). Trong

chương này, nồi phản ứng sinh học để nuôi cấy các tế bào sống được gọi là

hệ lên men để phân biệt các nồi phản ứng sinh học dùng cho các enzyme.

Trong phòng thí nghiệm, các tế bào thường được nuôi cấy trong các bình

tam giác trên máy lắc. Lắc nhẹ bình tam giác rất hiệu quả để tạo ra dịch

huyền phù tế bào, tăng cường sự oxy hóa thông qua bề mặt chất lỏng và trợ

giúp sự chuyển khối (mass transfer) của các chất dinh dưỡng mà không gây

nguy hiểm cho cấu trúc tế bào.

bọt

vách ngăn

đun nóng

làm lạnh

turbin dẹt

không khí vô trùng

Hình 4. 1. Sơ đồ hệ lên men dùng cho sản xuất penicillin.

Đối với hoạt động sản xuất ở quy mô lớn, thì hệ thống lên men thùng

khuấy (stirred-tank fermenter, STF) được sử dụng rộng rãi nhất để thiết kế

cho quá trình lên men công nghiệp. Nó có thể được dùng cho cả hai trường

hợp lên men hiếu khí (aerobic) và yếm khí (anaerobic) trong một phạm vi

rộng các loại tế bào khác nhau bao gồm vi sinh vật, động vật và thực vật.

Công nghệ tế bào 33

Hình 4.1 giới thiệu sơ đồ hệ lên men dùng trong sản xuất penicillin.

Cường độ pha trộn (mixing intensity) có thể rất khác nhau bằng cách chọn

loại cánh khuấy (impeller) thích hợp và các tốc độ khuấy khác nhau. Việc

sục khí và khuấy cơ học trong hệ lên men rất tốt cho nuôi cấy dịch huyền

phù tế bào, sự oxy hóa, sự pha trộn môi trường và truyền nhiệt. STF cũng có

thể được dùng cho các môi trường có độ nhớt cao. Nó là một trong những

hệ lên men quy mô lớn đầu tiên được phát triển trong công nghiệp dược.

Đặc điểm và tiềm năng của STF được nghiên cứu rộng rãi. Do hệ lên men

thùng khuấy thường được làm bằng thép không rỉ và hoạt động trong điều

kiện ôn hòa nên tuổi thọ của thiết bị rất lâu.

Nhược điểm của hệ lên men thùng khuấy bắt nguồn từ ưu điểm của

nó. Bộ phận (cánh) khuấy rất hiệu quả trong việc pha trộn các thành phần

của hệ lên men, nhưng lại tiêu thụ một lượng lớn công suất và có thể gây

nguy hiểm cho những hệ thống tế bào nuôi cấy mẫn cảm với lực trượt (shear

force) như tế bào động vật có vú hoặc tế bào thực vật. Lực trượt của chất

lỏng trong hỗn hợp được tạo ra bởi gradient tốc độ của các thành phần tốc

độ (hướng tâm và tiếp tuyến) của chất lỏng khi rời khỏi vùng cánh khuấy.

Khi chất lỏng rời khỏi vùng trung tâm, thì tốc độ của nó ở vị trí trên và dưới

cánh khuấy (có khoảng cách bằng chiều rộng cánh khuấy) sẽ giảm khoảng

85% và tạo ra một vùng trượt cao. Khi tỷ lệ chiều rộng cánh khuấy trên

đường kính của nó tăng thì profile tốc độ ít có dạng đặc trưng của parabol

mà trở nên tù hơn và nó tạo ra lực trượt ít hơn do gradient tốc độ lớn dần

lên. Vì thế, bằng cách tăng chiều rộng cánh khuấy, có thể ứng dụng thành

công STF trong nuôi cấy tế bào động vật hoặc tế bào thực vật.

Nhiều hệ lên men quy mô phòng thí nghiệm được làm bằng thủy tinh

có nắp bằng thép không rỉ. Các thùng lên men lớn hơn được làm bằng thép

không rỉ. Tỷ lệ chiều cao trên đường kính của thùng lên men (vessel) hoặc

là 2/1 hoặc là 3/1 và thường được khuấy bằng hai hoặc ba turbine khuấy

(cánh khuấy). Trục cánh khuấy được gắn trên nắp hoặc từ đáy của thùng

bằng giá đỡ. Tỷ lệ đường kính cánh khuấy (DI) trên đường kính của thùng

(DT) thường là từ 0,3-0,4. Trong trường hợp hệ lên men có hai cánh khuấy,

thì khoảng cách giữa cánh khuấy thứ nhất với đáy của vessel và khoảng

cách giữa hai cánh khuấy bằng 1,5 đường kính cánh khuấy. Khoảng cách

này giảm xuống còn 1,0 so với đường kính cánh khuấy trong trường hợp hệ

lên men có ba cánh khuấy. Bốn vách ngăn (baffles) cách đều nhau thường

Công nghệ tế bào 34