Chương 3: Công nghệ lên men vi sinh vật

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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 3: Công nghệ lên men vi sinh vậtChương 3 Công nghệ lên men vi sinh vậtI. 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 phẩmthương mại. Gần đây, việc áp dụng các kỹ thuật di truyền in vitro đã mởrộng phạm vi các sản phẩm được sản xuất bởi vi sinh vật và đã cung cấp cácphương pháp mới để tăng sản lượng của những sản phẩm đó. Khai thácthương mại sự đa dạng hóa sinh (biochemical diversity) của các vi sinh vậtđã thúc đẩy phát triển công nghiệp lên men, và các kỹ thuật di truyền đãthiết lập một nền công nghiệp ưu thế tạo cơ hội phát triển các quá trình mớivà cải thiện những quá trình đang có. Thuật ngữ lên men (fermentation) trong công nghệ vi sinh có nguồngốc từ động từ Latin fervere nghĩa là đun sôi, mô tả sự hoạt động của nấmmen 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 cácnhà vi sinh vật học và hóa sinh học giải thích theo các cách khác. Theo cácnhà vi sinh vật học thuật ngữ lên men có nghĩa là quá trình sản xuất một sảnphẩm bằng nuôi cấy sinh khối vi sinh vật. Tuy nhiên, các nhà hóa sinh họclại cho rằng đó là quá trình sản sinh ra năng lượng trong đó các hợp chấthữu cơ hoạt động với vai trò vừa là chất cho lẫn chất nhận điện tử, đó là quátrình yếm khí mà ở đó năng lượng được sản xuất không cần sự tham gia củaoxygen hoặc các chất nhận điện tử vô cơ khác. Trong chương này thuật ngữ lên men được sử dụng theo nghĩa rộngcủa 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 sảnxuất một chất trao đổi như mong muốn thì cơ thể của chúng phải được sinhtrưởng dưới những điều kiện nuôi cấy đặc biệt với một tốc độ sinh trưởngđặc trưng.Nhập môn Công nghệ sinh học 59 Nếu vi sinh vật chỉ được đưa một lần vào môi trường sinh trưởng, thìnuôi cấy ban đầu (innoculated culture) sẽ trải qua một số giai đoạn và hệthống này được gọi là nuôi cấy mẻ (batch culture). Đầu tiên, sự sinh trưởngkhông xuất hiện và quá trình này được xem như là pha lag, có thể coi đây làthời kỳ thích nghi. Tiếp theo là khoảng thời gian mà ở đó tốc độ sinh trưởngcủa tế bào tăng dần, các tế bào sinh trưởng với một tốc độ cực đại và khôngđổi, thời kỳ này được xem là pha log hoặc pha sinh trưởng theo hàm mũ vàđược mô tả bằng phương trình: dx (1)  x dt 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) tacó: t xt  x0 e (2) Trong đó: x0 là nồng độ tế bào ở thời điểm bắt đầu nuôi cấy và xt lànồng độ tế bào sau một khoảng thời gian t (giờ). Như vậy, đường cong logarithm tự nhiên của nồng độ tế bào theo thờigian t có độ dốc bằng tốc độ sinh trưởng đặc trưng. Tốc độ sinh trưởng đặctrưng trong suốt pha log đạt cực đại ở các điều kiện nuôi cấy thông thườngvà được mô tả như là tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng (μmax). Phươngtrình (1) và (2) bỏ qua trường hợp sự sinh trưởng sẽ làm tiêu hao các chấtdinh dưỡng và tăng tích lũy độc tố của sản phẩm. Tuy nhiên, trong thực tếkhi chất dinh dưỡng bị hao hụt và các sản phẩm độc được tích lũy, thì tốc độsinh trưởng của tế bào sẽ không đạt cực đại và cuối cùng làm ngừng quátrình sinh trưởng, lúc này nuôi cấy đi vào pha tĩnh và sau một thời gian sẽ đivào 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 làdo 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 môitrường sạch (mới) vào bình nuôi. Khi môi trường mới được bổ sung liên tụcở một tốc độ thích hợp (hệ nuôi cấy liên tục-continuous culture), thì sinhtrưởng của tế bào trong hệ này được điều chỉnh bằng sự sinh trưởng giới hạnvà thành phần của môi trường, vì vậy hệ thống này được xem như là mộtNhập môn Công nghệ sinh học 60chemostat (thể ổn định hóa tính). Hệ thống nuôi cấy liên tục cho phép đạttới trạng thái ổn định (steady-state) và việc hao hụt sinh khối tế bào quadòng chảy ra (output) sẽ được bù đắp bởi sự sinh trưởng tế bào trong bìnhnuôi. Pha Pha Pha Pha lag log tĩnh chết Pha sinh trưởng nhanh Pha sinh trưởng chậm Nồng độ sinh khối Thời gianHình 3.1. Đường cong sinh trưởng đặc trưng của các cơ thể đơn bào trongnuôi cấy mẻ Dòng chảy môi trường qua hệ thống điều chỉnh để vào bình nuôi đượcmô tả bởi thuật ngữ tốc độ pha loãng (dilution rate), ký hiệu là D, bằng tốcđộ bổ sung môi trường trên thể tích làm việc của bình nuôi. Sự cân bằnggiữa sinh trưởng của tế bào (growth) và sự hao hụt của chúng từ hệ thốngnày 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   DNhập môn Công nghệ sinh học ...