Chương 4: Thiết kế hệ lên men

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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 4: Thiết kế hệ lên menChương 4 Thiết kế hệ lên menI. 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 hànhbởi các tế bào sống hoặc các thành phần tế bào in vivo (enzyme). Trongchương này, nồi phản ứng sinh học để nuôi cấy các tế bào sống được gọi làhệ 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 bìnhtam giác trên máy lắc. Lắc nhẹ bình tam giác rất hiệu quả để tạo ra dịchhuyền phù tế bào, tăng cường sự oxy hóa thông qua bề mặt chất lỏng và trợgiúp sự chuyển khối (mass transfer) của các chất dinh dưỡng mà không gâynguy 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 thùngkhuấy (stirred-tank fermenter, STF) được sử dụng rộng rãi nhất để thiết kếcho quá trình lên men công nghiệp. Nó có thể được dùng cho cả hai trườnghợp lên men hiếu khí (aerobic) và yếm khí (anaerobic) trong một phạm virộng các loại tế bào khác nhau bao gồm vi sinh vật, động vật và thực vật. 33Công nghệ tế bào 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 chọnloại cánh khuấy (impeller) thích hợp và các tốc độ khuấy khác nhau. Việcsục khí và khuấy cơ học trong hệ lên men rất tốt cho nuôi cấy dịch huyềnphù tế bào, sự oxy hóa, sự pha trộn môi trường và truyền nhiệt. STF cũng cóthể được dùng cho các môi trường có độ nhớt cao. Nó là một trong nhữnghệ 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 menthùng khuấy thường được làm bằng thép không rỉ và hoạt động trong điềukiện ôn hòa nên tuổi thọ của thiết bị rất lâu. Nhược điểm của hệ lên men thùng khuấy bắt nguồn từ ưu điểm củanó. Bộ phận (cánh) khuấy rất hiệu quả trong việc pha trộn các thành phầncủa hệ lên men, nhưng lại tiêu thụ một lượng lớn công suất và có thể gâynguy hiểm cho những hệ thống tế bào nuôi cấy mẫn cảm với lực trượt (shearforce) như tế bào động vật có vú hoặc tế bào thực vật. Lực trượt của chấtlỏng trong hỗn hợp được tạo ra bởi gradient tốc độ của các thành phần tốcđộ (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 dướicánh khuấy (có khoảng cách bằng chiều rộng cánh khuấy) sẽ giảm khoảng85% và tạo ra một vùng trượt cao. Khi tỷ lệ chiều rộng cánh khuấy trênđường kính của nó tăng thì profile tốc độ ít có dạng đặc trưng của parabolmà trở nên tù hơn và nó tạo ra lực trượt ít hơn do gradient tốc độ lớn dầnlên. Vì thế, bằng cách tăng chiều rộng cánh khuấy, có thể ứng dụng thànhcông 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 tinhcó nắp bằng thép không rỉ. Các thùng lên men lớn hơn được làm bằng thépkhông rỉ. Tỷ lệ chiều cao trên đường kính của thùng lên men (vessel) hoặclà 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 thùngbằng 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 khoảngcách giữa hai cánh khuấy bằng 1,5 đường kính cánh khuấy. Khoảng cáchnày giảm xuống còn 1,0 so với đường kính cánh khuấy trong trường hợp hệlên men có ba cánh khuấy. Bốn vách ngăn (baffles) cách đều nhau thường 34Công nghệ tế bàođược thiết kế để ngăn cản sự hình thành dòng xoáy làm giảm hiệu suất phatrộn. Chiều rộng của vách ngăn thường bằng 1/10 đường kính của thùng(tank). Ở trường hợp hệ lên men hiếu khí (aerobic fermenter), thì một bộphun lỗ đơn (single orifice sparger) hoặc một bộ phun vòng được sử dụngđể sục khí cho hệ lên men. Bộ phận phun được đặt ở vị trí giữa cánh khuấycuối cùng và đáy của vessel. Độ pH trong hệ lên men có thể được duy trìbằng cách dùng dung dịch đệm hoặc bộ điều chỉnh pH (pH controller).Nhiệt độ được điều chỉnh bằng hệ thống gia nhiệt và làm lạnh tự động.1. Hệ lên men dòng nút (plug-flow fermenter, PFF) hoặc mẻ (batchfermenter) Một hệ lên men khuấy lý tưởng phải có khả năng pha trộn tốt sao chocác thành phần đồng nhất trong một kết cấu ở mọi thời điểm. Một hệ lênmen lý tưởng khác là hệ lên men dòng nút, một dạng tương đồng của hệ lênmen mẻ. Trong hệ lên men dòng ống (tubular-flow fermenter), chất dinh dưỡng(cơ chất) và tế bào đi vào một đầu của ống hình trụ và tế bào sẽ sinh trưởngtrong khi chúng đi qua ống này. Do ống dài và thiếu bộ phận khuấy nên đãngăn cản sự pha trộn hoàn toàn của chất lỏng, vì thế tính chất của dòng chảythay đổi trong hai chiều tiếp tuyến và hướng tâm. Tuy nhiên, sự biến thiêntrong chiều hướng tâm nhỏ hơn chiều tiếp tuyến. Một hệ lên men dòng ốngmà không có những biến thiên hướng tâm thì được gọi là hệ lên men dòngnút (PFF). Thực tế, hệ lên men PFF rất khó xây dựng. Cho dù hệ lên men PFFtrạng thái ổn định (steady state) được hoạt động trong một kiểu liên tục, thìnồng độ tế bào của hệ lên men mẻ lý tưởng sau thời gian t sẽ giống nhưnồng độ tế bào của hệ lên men PFF trạng thái ổn định ...