Bài giảng Công nghệ lên men ĐH Y Dược

Công nghệ
lên men
Công nghệ lên men

Định nghĩa: quá trình biến đổi do vi sinh vật thực
hiện trong điều kiện yếm khí hay hiếu khí

Sản phẩm

Sinh khối vi sinh vật
 Enzym – protein vi sinh vật

Sản phẩm trao đổi chất: sơ cấp + thứ cấp

Các biopolymer và biosurfactant

Sản phẩm tái tổ hợp gen
Chủng vi sinh vật
1: Không gây bệnh cho người, động vật và môi trường
(GRAS - Generally Recognized As Safe)
2: Có thể gây khó chịu cho người, động vật và môi
trường
3: Gây bệnh, truyền bệnh nhưng có cách chữa trị
4: Gây bệnh, truyền bệnh rất nhanh nhưng chưa có cách
chữa trị
Thu nhận chủng

Phân lập từ môi trường

“săn lùng” (shotgun)


có định hướng (objective)

Ngân hàng chủng
 Nhanh, ít tốn kém

Không có tính cạnh tranh
Yêu cầu của chủng công nghệ
1.
Ổn định di truyền
2.
Sản xuất hiệu quả sản phẩm mong muốn, và con
đường sinh tổng hợp sản phẩm đã được khảo sát kỹ
3.
Không cần hay ít cần các bổ sung vitamin và yếu tố
tăng trưởng
4.
Sử dụng được các cơ chất phổ biến và rẻ tiền
5.
Có thể biến đổi di truyền được
6.
An toàn, không gây bệnh, và không sản xuất chất độc,
trừ khi đó chính là sản phẩm
7.
Dễ dàng thu hoạch từ quá trình lên men
8.
Dễ dàng phá vỡ tế bào nếu sản phẩm là nội bào
9.
Ít tạo ra sản phẩm phụ để thuận tiện cho việc tinh chế
sản phẩm
Cải tạo chủng


Tái tổ hợp tự nhiên

Gây đột biến

Đột biến ngẫu nhiên
 Đột biến nhân tạo - cảm ứng

Sử dụng base tương đồng

Thay đổi về hóa học của các base

Chiếu xạ

Gây đột biến bằng transposon

Lai ghép tế bào trần và biến nạp gen

Thao tác di truyền trên vi sinh vật
Chiến lược thao tác di truyền

Sàng lọc gen từ tế bào nguồn

Cô lập gen quan tâm: tạo dòng

Thực hiện các biến đổi cần thiết

Đưa gen trở lại tế bào đích

Kiểm tra và sàng lọc chủng mới

Sàng lọc thể đột biến

Kiểu hình quan sát được

Khuyết dưỡng: cấy trên môi trường tối thiểu

Tổng hợp gây chết

Kháng chất chuyển hóa

Khóm vệ tinh

Quang ứng động, hóa ứng động

Khác biệt tỷ trọng: ly tâm phân đoạn
Làm giàu thể khuyết dưỡng bằng
penicillin

Nuôi cấy 5 h trong
môi trường hoàn
chỉnh
Ủ 5 h trong môi
trường glucose
không chứa nitơ
Gây đột biến:
UV, HNO
2
,…

Rửa và phân tán ở

mật độ
10
7
/ml

Thêm 100 U/ml
penic
illin

Loại bỏ penicillin
Pha loãng đến 50-
100 tế bào/hộp
Nuôi cấy 2-20 h
Môi trường
hoàn chỉnh

Môi trường
tối thiểu

Môi trường
hoàn chỉnh

Nhân bản

Bảo quản giống vi sinh vật

Ngân hàng tế bào

Ngân hàng gốc (master cell bank)


Ngân hàng làm việc (working cell bank)

Cấy chuyền

Làm khô

Đông khô

Đông lạnh
Môi trường lên men

Cung cấp chất dinh dưỡng để tế bào phát triển

Chất dinh dưỡng

Yếu tố tăng trưởng

Cung cấp các chất cần thiết để thu sản phẩm

Sinh khối

Chất chuyển hóa sơ cấp

Chất chuyển hóa thứ cấp

Chất cảm ứng
Các loại môi trường lên men

Môi trường tổng hợp: đó là môi trường có thành
phần hóa học chính xác về mặt định tính và định lượng.


Môi trường phức hoặc bán tổng hợp: người ta chỉ
biết thành phần chính xác của một vài hợp chất (về mặt
định lượng đối với các chất cần quan tâm như yếu tố
tăng trưởng, các thành phần khác dựa theo kinh
nghiệm).

Môi trường công nghiệp: nguyên liệu phức ban đầu
chủ yếu bắt nguồn từ các sản phẩm nông nghiệp hoặc
từ sữa vì chúng rẻ và tương đối dồi dào.
Tiêu chí chọn thành phần môi trường

Giá thành và khả năng cung cấp.

Dễ xử lý, vận chuyển, và bảo quản với chi phí thấp.

Không gây khó khăn cho quá trình tiệt trùng và không
bị biến chất.
 Có các thuộc tính vật lý như độ nhớt, khả năng trộn
lẫn, … không ảnh hưởng đến công thức chung, việc vận
hành nồi cũng như xứ lý sau lên men.

Giúp đạt được nồng độ sản phẩm đích với tốc độ hình
thành và năng suất sản phẩm trên gam cơ chất cao.

Nồng độ và loại tạp chất cũng như khả năng tạo sản
phẩm phụ thấp không làm ảnh hưởng đến quá trình
tách sản phẩm chính sau đó

Có tính an toàn tốt

Nguồn carbon

Y
carbon (g/g) = Sinh khối tạo ra (g) / Nguồn carbon
sử dụng (g)

Mật mía

Cao chiết mạch nha

Tinh bột và dextrin

Nước thải sulfit

Cellulose

Bã sữa chua

Alkane và alcol

Chất béo và dầu
Nguồn nitơ

Nước thải ngâm bắp

Cao nấm men

Peptone

Bã đậu nành

Các thành phần khác

Nước

Khoáng chất

Vitamin và yếu tố tăng trưởng

Các tiền chất

Các chất cảm ứng và kích thích

Các chất ức chế

Chất thay đổi tính thấm tế bào

Oxi

Chất chống bọt
Biện pháp kiểm soát bọt

Thay đổi công thức môi trường

Phá bọt cơ học

Các chất phá bọt: thường là các chất hoạt động bề
mặt:

Nhanh chóng phân tán và tác động nhanh


Tác động mạnh với liều thấp

Có tác động kéo dài
 Không độc đối với vi sinh vật lên men, người hay thú

Giá rẻ

Bền nhiệt

Tương thích với các thành phần môi trường và qui trình
Hệ thống lên men

Cảm biến pH, nhiệt
độ, oxi, bọt, mức

Cung cấp oxi, chất
dinh dưỡng, chất kiểm
soát pH,

Cánh khuấy

Cổng thu hoạch

Khí thải
vô trùng

Lọc tiệt trùng
Nước/h
ơi nước ra

Trục khuấy
Đĩa khuấy
Vỏ ngoài

Rọ cản
Bộ phun khí
Khí vào
Cổng thu
hoạch
Nước/h
ơi nước vào
Khí vô trùng
Cổng phụ

Các thiết bị nuôi cấy khác
Các phương thức lên men

Kiểu vận hành

Lên men gián đoạn

Lên men bổ sung dinh dưỡng gián đoạn

Lên men liên tục

Độ kín của hệ thống

Lên men hở


Lên men vô trùng

Sự thông khí

Lên men hiếu khí

Lên men kỵ khí

Kiểu thiết bị sử dụng
 Lên men nổi

Lên men chìm
Lên men bề mặt
7
6
6
1
2
3
4
5
1-Giá đựng khay ; 2-Khay ; 3-Cửa cho không khí sạch vào buồng ; 4-Cửa cho không khí
ra ; 5-Quạt ; 6-Chỗ phun nước ; 7-Bộ phận xả hơi nóng để điều chỉnh nhiệt độ của buồng.
Lên men chìm
Nguyên liệu
Chuẩn bò môi trường
nhân giống
Nhân giống cấp I
Nhân giống cấp II, III
Không khí ra

Không khí ra
LÊN MEN
Chuẩn bò môi trường
lên men
Không khí nén, lọc
Tách và làm sạch sản phẩm
Giám sát quá trình lên men

Các cảm biến
in situ

Các bộ phân tích trực tuyến

flow injection analysis
 sequential injection analysis

khối phổ (mass spectrometry - MS)

lỏng hiệu năng cao (HPLC)

sắc ký khí (GC)