Công nghệ sinh học đại cương - CHƯƠNG 4. CÔNG NGHỆ LÊN MEN

CHƯƠNG 4. CÔNG NGHỆ LÊN MEN


1. LÊN MEN LÀ GÌ?
Sự lên men: q trình trao đổi chất, qua đó các
chất hữu cơ mà trước tiên là đường bị biến đổi
dưới tác dụng của enzyme VSV
Phân loại:
Dựa theo cơ chế quá trình lên men
 Lên men yếm khí (lên men rượu, axetonbutylic,
latic,…)
 Lên men hiếu khí (lên men axetic, xitric,…)


Dựa vào tác nhân cung cấp hệ enzyme
 Lên men ứng dụng nấm men
 Lên men ứng dụng vi khuẩn
 Lên men ứng dụng nấm mốc
Dựa vào tính chất của các sản phẩm lên men
 Công nghiệp lên men cổ điển: sản xuất rượu,
axetonbutylic,…
 Với công nghiệp lên men hiện đại: sản xuất
vitamin, kháng sinh, axitamin, protein bằng con
đường sinh tổng hợp


2. BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH LÊN MEN
Lên men là quá trình oxy hóa khử được tiến hành
do hoạt động sống của VSV nhờ sự xúc tác của các
enzyme nhằm cung cấp năng lượng và hợp chất
trung gian cần thiết cho chúng

Q trình lên men có thể chia làm hai pha:
• Pha thứ nhất là pha sinh trưởng: chủ yếu là quá
trình sinh tổng hợp protein và xây dựng TB. Các TB
trong giai đoạn này rất trẻ, sinh trưởng và tăng sinh
khối nhanh
• Pha thứ hai là pha tích tụ các sản phẩm của sự trao
đổi chất


Đường cong sinh trưởng
đặc trưng của TB VSV


4 giai đoạn sinh trưởng của TB VSV
• Giai đoạn 1 (pha Lag): thích nghi - VSV làm
quen với mơi trường
• Giai đoạn 2 (pha Log): tăng trưởng - VSV phát
triển mạnh tăng sinh khối
• Giai đoạn 3 (pha tĩnh): cân bằng - nguồn dinh
dưỡng bắt đầu cạn kiệt, số tế bào sinh ra = số
TB chết đi
• Giai đoạn 4 (pha chết): suy vong - nguồn dinh
dưỡng cạn kiệt, chất thải VSV tích tụ, TB chết
chiếm ưu thế


3. VAI TRỊ CỦA VSV TRONG CN LÊN MEN
•
•
•

•
•
•
•

Giống VSV đóng vai trị quyết định:
Năng suất sinh học
Phẩm chất sinh học
Giá thành sản phẩm
Yêu cầu về giống VSV
Năng suất sinh học cao
Sản phẩm dễ thu nhận, tinh sạch
Có tính ổn định
Tốc độ trao đổi chất mạnh


• Thích nghi trong điều kiện lên men cơng nghiệp
• Sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, hoặc tận dụng các
nguồn phế liệu phế thải trong công nghiệp thực phẩm
• Cho sản phẩm có số lượng và chất lượng cao hơn các
sản phẩm khác


Tạo giống VSV??
1. Phân lập giống
Tìm vị trí phân lập giống
Lấy mẫu đem phân lập
Pha lỗng
Ni trên mơi trường tập trung
Nuôi trên môi trường đặc hiệu

Kiểm tra đặc điểm của vi sinh
vật phân lập được


2. Chọn giống: tuyển chọn được giống có chất lượng
tốt nhất phục vụ cho sản xuất
3. Định danh
Phương pháp truyền thống
• Kiểm tra hình thái, đặc điểm sinh lý, sinh hố VSV
• Phương pháp sinh hố
Phương pháp hiện đại: PP SH phân tử
• Phân tích nucleic acid
• Phân tích protein
 Ưu điểm: cho kết quả chính xác trong một thời gian
ngắn
 Nhược điểm: đòi hỏi trang thiết bị hiện đại và hoá
chất đắt tiền


Ly trích mẫu
Dùng PCR khuếch đại rDNA 16s
Tinh sạch sản phẩm
Thực hiện PCR
Giải trình tự
Đối chiếu trên ngân hàng gen


Cải thiện giống VSV
Huấn luyện giống thích nghi  khơng di truyền
Thay đổi đặc tính di truyền

- Cổ điển: lai, gây đột biến
- Hiện đại: tạo dòng, chuyển gen


4. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
Phương pháp lên men: có 2 phương pháp
 Nuôi cấy không liên tục
 Nuôi cấy liên tục
Phương pháp nuôi cấy không liên tục
 Phương pháp lên men nổi (Phương pháp bề mặt)
 Phương pháp lên men chìm (Phương pháp bề sâu)
 Phương pháp lên men bán rắn


Phương pháp lên men nổi
 Thích hợp cho các quá trình ni nấm mốc, xạ
khuẩn, vi khuẩn
 Mơi trường: mơi trường tổng hợp (rắn) như cám, bột
ngô, tấm, gạo và mơi trường lỏng (dịch thể) như
nước đường hóa, nước bã rượu, rỉ đường phối hợp
với một số muối khoáng
 Để thực hiện q trình lên men nổi, bề mặt mơi
trường ni cấy VSV cần phải thống, rộng, khơng
q sâu, bề dày môi trường thường khoảng 2-5 cm


 Khi phát triển trong môi trường lên men VSV cần oxy
khơng khí để hơ hấp và sản phẩm của sự hơ hấp là khí
CO2 , hơi nước, nhiệt lượng tỏa ra xung quanh
 Ưu điểm

- Phương pháp thao tác đơn giản
- Khơng địi hỏi q cao về trang thiết bị, chủ yếu nuôi trên
khay và buồng nuôi giữ ở nhiệt độ và độ ẩm thích hợp
- Q trình sản xuất tiêu tốn ít năng lượng
- VSV được ni cấy trong điều kiện khơng vơ trùng tuyệt
đối. Nếu có VSV tạp nhiễm thì chỉ cần loại bỏ phần đó
- Thích hợp với điều kiện sản xuất có trình độ cơ khí hóa
chưa cao.


Nhược điểm
- Tốn nhiều diện tích mặt bằng
- Khó cơ khí hóa và khó tự động hóa được tồn
bộ q trình
- Chi phí nhân cơng, điện nước cho một đơn vị
sản phẩm cao


Phương pháp lên men chìm
 Phương pháp dùng cho cả VSV kỵ khí và hiếu
khí
 Đây là phương pháp hiện đại đã được dùng
trong khoảng nửa cuối thế kỷ XX và cho kết quả
rất lớn đối với công nghệ vi sinh
 Ni cấy chìm hay ni cấy bề sâu dùng môi
trường dinh dưỡng lỏng (dịch thể)
 Chủng VSV được gieo cấy vào MT phân tán
khắp mọi điểm và chung quanh bề mặt tế bào
tiếp xúc với dịch dinh dưỡng  phải khuấy và
cung cấp oxy bằng cách sục khí liên tục

 Ni cấy chìm được dùng phổ biến trong CN vi sinh để
sản xuất men bánh mì, protein đơn bào từ nấm men,
các phế phẩm vi sinh làm phân bón cố định đạm, làm
thuốc trừ sâu, các enzim, các axit amin, vitamin, các
chất kháng sinh, các chất kích thích sinh học …
Ưu điểm
- Tốn ít mặt bằng trong xây dựng và lắp đặt dây chuyền
- Chi phí điện năng, nhân lực và các khoản phụ cho 1
đơn vị sản phẩm thấp
- Dễ tổ chức được xí nghiệp có sản lượng lớn
- Các thiết bị lên men chìm dễ cơ khí hóa, tự động hóa
cho tồn bộ q trình


Nhược điểm
- Đòi hỏi trang thiết bị cao, dễ bị nhiễm trùng tồn bộ
- Thiết bị lên men chìm cần phải chế tạo đặc biệt
cẩn thẩn, chịu áp lực cao, địi hỏi kín và làm việc với
điều kiện vơ trùng tuyệt đối
- Trong lên men chìm cần phải khuấy và sục khí liên
tục vì VSV chỉ sử dụng được oxy hịa tan trong mơi
trường
- Khí được nén qua hệ thống lọc sạch khí. Hệ thống
này tương đối phức tạp và dễ gây nhiễm cho môi
trường nuôi cấy


Lên men bằng phương pháp ni cấy

chìm ở quy mơ phịng thí nghiệm (5L)


Quy mô pilot (200 L)


Phương pháp lên men bán rắn
 Phương pháp trung gian giữa lên men bề
mặt và lên men bề sâu
 Môi trường lên men thường: 70% nước
còn lại là các chất như cám, trấu, bắp…
 Nhược điểm: hiệu quả thanh trùng kém do
sự truyền nhiệt kém của các hợp chất độn
khô trong môi trường lên men


Các phương pháp nuôi cấy liên tục
Phương pháp đơn cấp
- VSV được nuôi trong một nồi lên men. Môi trường dinh
dưỡng được bổ sung cũng như môi trường đã lên men rút
ra khỏi nồi lên men một cách liên tục với cùng một tốc độ
- Phương pháp này đơn giản, dễ ứng dụng vào sản xuất đối
với tế bào nấm men để thu sinh khối hoặc sản phẩm là các
chất chuyển hóa gắn trực tiếp với sự phát triển của tế bào
Phương pháp nhiều cấp
- VSV được nuôi ở hệ thống nồi lên men đặt làm nhiều cấp.
- Nồi thứ nhất được dùng cho VSV phát triển tốt nhất, các
nồi sau để các tế bào tiết ra chất chuyển hóa
- Môi trường dinh dưỡng mới được bổ sung vào nồi thứ
nhất và từ đó lần lượt chảy vào các nồi tiếp theo

Ưu điểm
- Giảm bớt thời gian của thiết bị để làm vệ sinh,
khử khuẩn và làm nguội
- Giảm bớt thể tích của tồn bộ thiết bị
- Có khả năng tự động hóa các thao tác
- Tăng hiệu suất của tồn bộ quá trình CN nhờ
chọn lọc tốt nhất các điều kiện thao tác


Nhược điểm
• Địi hỏi cán bộ và cơng nhân thành thạo chun
mơn
• Giá thành cao đối với tự động hóa và dụng cụ
đo lường hiện đại
• Phải vơ khuẩn tuyệt đối trong toàn bộ thời gian
thao tác