Nhập môn công nghệ sinh học 3

Nhập môn Công nghệ sinh học 59

Chương 3

Công nghệ lên men vi sinh vật

I. Mở đầu

Các cơ thể vi sinh vật có khả năng sinh trưởng trên nhiều loại cơ chất

(môi trường dinh dưỡng) khác nhau và có thể sản xuất nhiều sản phẩm

thương mại. Gần đây, việc áp dụng các kỹ thuật di truyền in vitro đã mở

rộng phạm vi các sản phẩm được sản xuất bởi vi sinh vật và đã cung cấp các

phương pháp mới để tăng sản lượng của những sản phẩm đó. Khai thác

thương mại sự đa dạng hóa sinh (biochemical diversity) của các vi sinh vật

đã thúc đẩy phát triển công nghiệp lên men, và các kỹ thuật di truyền đã

thiết lập một nền công nghiệp ưu thế tạo cơ hội phát triển các quá trình mới

và cải thiện những quá trình đang có.

Thuật ngữ lên men (fermentation) trong công nghệ vi sinh có nguồn

gốc từ động từ Latin fervere nghĩa là đun sôi, mô tả sự hoạt động của nấm

men trên dịch chiết của trái cây hoặc các hạt ngũ cốc được tạo mạch nha

(malt) trong sản xuất đồ uống có ethanol. Tuy nhiên, sự lên men được các

nhà vi sinh vật học và hóa sinh học giải thích theo các cách khác. Theo các

nhà vi sinh vật học thuật ngữ lên men có nghĩa là quá trình sản xuất một sản

phẩm bằng nuôi cấy sinh khối vi sinh vật. Tuy nhiên, các nhà hóa sinh học

lại cho rằng đó là quá trình sản sinh ra năng lượng trong đó các hợp chất

hữu cơ hoạt động với vai trò vừa là chất cho lẫn chất nhận điện tử, đó là quá

trình yếm khí mà ở đó năng lượng được sản xuất không cần sự tham gia của

oxygen hoặc các chất nhận điện tử vô cơ khác.

Trong chương này thuật ngữ lên men được sử dụng theo nghĩa rộng

của nó, ở góc độ vi sinh vật học.

II. Sinh trưởng của vi sinh vật

Sinh trưởng của vi sinh vật có thể tạo ra sự trao đổi chất, nhưng để sản

xuất một chất trao đổi như mong muốn thì cơ thể của chúng phải được sinh

trưởng dưới những điều kiện nuôi cấy đặc biệt với một tốc độ sinh trưởng

đặc trưng.

Nhập môn Công nghệ sinh học 60

Nếu vi sinh vật chỉ được đưa một lần vào môi trường sinh trưởng, thì

nuôi cấy ban đầu (innoculated culture) sẽ trải qua một số giai đoạn và hệ

thống này được gọi là nuôi cấy mẻ (batch culture). Đầu tiên, sự sinh trưởng

không xuất hiện và quá trình này được xem như là pha lag, có thể coi đây là

thời kỳ thích nghi. Tiếp theo là khoảng thời gian mà ở đó tốc độ sinh trưởng

của tế bào tăng dần, các tế bào sinh trưởng với một tốc độ cực đại và không

đổi, thời kỳ này được xem là pha log hoặc pha sinh trưởng theo hàm mũ và

được mô tả bằng phương trình:

x

dt

dx

 

(1)

Trong đó: x là nồng độ tế bào (mg/mL), t là thời gian nuôi cấy (giờ),

và μ là tốc độ sinh trưởng đặc trưng (giờ). Từ phương trình tích phân (1) ta

có:

t

t

x x e



 0

(2)

Trong đó: x0 là nồng độ tế bào ở thời điểm bắt đầu nuôi cấy và xt là

nồng độ tế bào sau một khoảng thời gian t (giờ).

Như vậy, đường cong logarithm tự nhiên của nồng độ tế bào theo thời

gian t có độ dốc bằng tốc độ sinh trưởng đặc trưng. Tốc độ sinh trưởng đặc

trưng trong suốt pha log đạt cực đại ở các điều kiện nuôi cấy thông thường

và được mô tả như là tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng (μmax). Phương

trình (1) và (2) bỏ qua trường hợp sự sinh trưởng sẽ làm tiêu hao các chất

dinh dưỡng và tăng tích lũy độc tố của sản phẩm. Tuy nhiên, trong thực tế

khi chất dinh dưỡng bị hao hụt và các sản phẩm độc được tích lũy, thì tốc độ

sinh trưởng của tế bào sẽ không đạt cực đại và cuối cùng làm ngừng quá

trình sinh trưởng, lúc này nuôi cấy đi vào pha tĩnh và sau một thời gian sẽ đi

vào pha chết, dẫn đến giảm số lượng tế bào sống sót (Hình 3.1).

Như đã trình bày, hiện tượng ngừng sinh trưởng trong nuôi cấy mẻ là

do hao hụt thành phần dinh dưỡng hoặc tích lũy sản phẩm độc. Tuy nhiên,

có thể khắc phục điều này bằng cách bổ sung một lượng tối thiểu môi

trường sạch (mới) vào bình nuôi. Khi môi trường mới được bổ sung liên tục

ở một tốc độ thích hợp (hệ nuôi cấy liên tục-continuous culture), thì sinh

trưởng của tế bào trong hệ này được điều chỉnh bằng sự sinh trưởng giới hạn

và thành phần của môi trường, vì vậy hệ thống này được xem như là một

Nhập môn Công nghệ sinh học 61

chemostat (thể ổn định hóa tính). Hệ thống nuôi cấy liên tục cho phép đạt

tới trạng thái ổn định (steady-state) và việc hao hụt sinh khối tế bào qua

dòng chảy ra (output) sẽ được bù đắp bởi sự sinh trưởng tế bào trong bình

nuôi.

Hình 3.1. Đường cong sinh trưởng đặc trưng của các cơ thể đơn bào trong

nuôi cấy mẻ

Dòng chảy môi trường qua hệ thống điều chỉnh để vào bình nuôi được

mô tả bởi thuật ngữ tốc độ pha loãng (dilution rate), ký hiệu là D, bằng tốc

độ bổ sung môi trường trên thể tích làm việc của bình nuôi. Sự cân bằng

giữa sinh trưởng của tế bào (growth) và sự hao hụt của chúng từ hệ thống

này có thể được mô tả như sau:

dx/ dt 

growth – output

hoặc:

dx/ dt  x  Dx

Dưới các điều kiện trạng thái ổn định:

dx/ dt  0

và vì thế,

x  Dx

và

  D Nồng độ sinh khối

Pha sinh trưởng nhanh

Pha sinh trưởng chậm

Pha

lag

Pha

log

Pha

tĩnh

Pha

chết

Thời gian