BÀI TIỂU LUẬN VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP

ĐAỊ HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA SINH HỌC
BÀI TIỂU LUẬN
VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP
Đề bài: So sánh 3 hệ thống lên men.
Ưu nhược điểm của từng hệ thống
Lấy VD ứng dụng của 1 trong 3 hệ thống trên
Họ và tên: Nguyễn Thị Hồng Nhung
Ngày sinh: 04/08/1989
Lớp: K52b- Công nghệ sinh học
Hà Nội 2009
CÁC HỆ THỐNG NUÔI CẤY VI SINH VẬT
I. KHÁI QUÁT CHUNG
Ngày nay, khái niệm sinh khối vi sinh vật hay các sản phẩm của quá
trình lên men đã khá quen thuộc với nhiều người. Công nghệ thu sinh khối vi
sinh vật là các quá trình nuôi cấy các chủng thuần khiết hoặc hỗn hợp vài
chủng để thu được khối lượng tế bào sau khi sinh trưởng với các mục đích
sử dụng sản phẩm thu được trong công nghiệp thực phẩm, y tế, công nghiệp,
nông nghiệp và môi trường
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. Vi sinh vật phải trải qua một quá trình nuôi cấy trong các hệ
thống nuôi cấy vi sinh được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng, oxi và các điều
kiện cần thiết khác phục vụ cho quá trình sinh trưởng
Tùy vào mục đích sử dụng, cách thức thu sản phẩm mà người ta nuôi
cấy vi sinh vật trong các hệ thống khác nhau. Có 3 hệ thống nuôi cấy vi sinh
quy mô công nghiệp chính thường được sử dụng đó là:
- Nuôi cấy theo mẻ (bath culture )
- Nuôi cấy liên tục (continuous culture – chemostat )

- Nuôi cấy bán liên tục (fed- bath)
Sau đây chúng ta hãy cùng tìm hiểu những đặc điểm khác nahu cơ bản
của 3 hệ thống lên men trên
II. BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG
1. Nếu vi sinh vật chỉ được đưa một lần vào môi trường sinh trưởng,
thì nuôi cấy ban đầu sẽ trải qua một số giai đoạn và hệ thống này được gọi là
nuôi cấy mẻ. Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật được chia làm 4 giai đoạn
chính (4 pha chính) là
- Pha tiềm phát (pha lag)
- Pha sinh trưởng theo hàm số mũ(pha log)
- Pha cân bằng động
- Pha suy vong
Pha lag được xem như pha thích nghi của vi sinh vật. Đây là quá trình
vi sinh vật tích lũy các chất dinh dưỡng từ môi trường bên ngoài để phục vụ
cho sinh trưởng
Pha log 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 sinh trưởng theo hàm mũ
Pha cân bằng xảy ra khi chất dinh dưỡng bị hao hụt và các sản phẩm
độc được tích lũy, 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
Pha suy vong xảy ra khi các điều kiện bên ngoài môi trường không
còn đáp ứng được cho nhu cầu tồn tại của sinh vật, chất độc tích tụ nhiều và
tế bào rơi vào trạng thái suy vong
2. Trong hệ thống nuôi cấy liên tục, chất dinh dưỡng thường xuyên
được đưa vào với lượng cần thiết cho sinh trưởng. Khi môi trường mới được
bổ sung liên tục ở một tốc độ thích hợp, thì sinh trưởng của tế bào trong hệ
này được điều chỉnh bằng sự sinh trưởng giới hạn và thành phần của môi
trường. Hệ thống này cho phép đạt tới trạng thái ổn định và việc hao hụt sinh
khối tế bào qua dòng chảy ra sẽ được bù đắp bởi sự sinh trưởng tế bào trong

bình nuôi. Như vậy, chemostat là hệ thống nuôi cấy tự cân bằng được giới
hạn chất dinh dưỡng, có thể duy trì trạng thái ổn định trong một phạm vi
rộng của các tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng.
3. Nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng (fed-batch culture) được xem
là hệ thống trung gian giữa quá trình nuôi cấy mẻ và nuôi cấy liên tục. Thuật
ngữ nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng được dùng để mô tả các nuôi cấy
mẻ được cung cấp dinh dưỡng liên tục (hoặc nối tiếp nhau) bằng môi trường
mới mà không loại bỏ dịch nuôi cấy cũ. Như vậy, thể tích của loại nuôi cấy
này tăng lên theo thời gian
III. MỘT SỐ ĐIỂM KHÁC NHAU CƠ BẢN
Dòng chảy môi trường qua hệ thống điều chỉnh để vào bình nuôi được
mô tả bởi thuật ngữ tốc độ pha loãng , 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 và sự hao hụt của chúng từ hệ thống này có thể được mô tả như
sau:
dx/dt = μx – Dx
Trong đó: μx là tốc độ sinh trưởng đặc trưng
Dx là tốc độ pha loãng
Ở điều kiện ổn định, dx/dt =0 hay μ=D
Kể từ đây, tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật được điều chỉnh bằng tốc
độ pha loãng, và đây là một biến thực nghiệm. Điều này lưu ý rằng dưới các
điều kiện nuôi cấy mẻ, một cơ thể sẽ sinh trưởng ở tốc độ sinh trưởng cực
đại đặc trưng của nó. Vì thế, nuôi cấy liên tục chỉ có thể hoạt động ở các tốc
độ pha loãng phía dưới tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng. Như vậy, trong
các giới hạn nhất định, tốc độ pha loãng có thể được dùng để điều chỉnh tốc
độ sinh trưởng của nuôi cấy chemostat.
Sự khác nhau giữa trạng thái ổn định của chemostat và trạng thái gần
như ổn định của fed-batch ở chỗ trong chemostat thì tốc độ pha loãng D là
hằng số còn ở fed-batch thì D lại giảm theo thời gian
Batch Continuous Fed-batch

- Hệ nuôi cấy đóng, dễ
kiểm soát khử trùng
- Hệ nuôi cấy mở, khó
kiểm soát khử trùng
- Hệ nuôi cấy mở
- Lượng chất dinh
dưỡng đưa vào 1 lần
- Lượng chất dinh
dưỡng đưa vào liên tục
- Lượng chất dinh
dưỡng đưa vào được
kiểm soát
- Thu hoạch tế bào và
sản phẩm 1 lần
- Lấy sản phẩm ra liên
tục
- Lấy sản phẩm ra liên
tục
- Tiếp giống cấp I, 5% - Tế bào quay vòng
liên tục
- Tế bào quay vòng
- Có 5 pha sinh trưởng - Pha log kéo dài
- Kéo dài pha cân bằng
- Hiệu suất thu hồi sản
phẩm thường thấp
- Hiệu suất thu hồi sản
phẩm thường cao
- Hiệu suất sản phẩm
cao
ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC HỆ THỐNG LÊN MEN

Hệ
thống
Ưu điểm Nhược điểm
Mẻ - Đảm bảo tốc độ sinh trưởng
cực đại đặc trưng
- Thích hợp trong sản xuất các
sản phẩm vi sinh thu sản phẩm
1 lần (không yêu cầu lượng
sinh khối vi sinh lớn)
- Trong suốt thời gian lên men
mẻ, sản lượng nhiệt, sự sản xuất
kiềm hoặc acid, và sự tiêu thụ
oxygen sẽ biến thiên từ các tốc
độ rất thấp ở lúc bắt đầu tới các
tốc độ rất cao trong suốt pha log
muộn. Vì vậy, điều chỉnh môi
trường của một hệ thống như
thế khó hơn nhiều so với quá
trình liên tục
Liên
tục
- Đối với sản xuất sinh khối ưu
điểm kỹ thuật là có khả năng
điều chỉnh để cải thiện quá
trình lên men. Do đó,ở trạng
thái ổn định các tốc độ sản xuất
- Nhược điểm thường xuyên của
hệ thống nuôi cấy liên tục là sự
mẫn cảm của chúng với sự
nhiễm bẩn bởi các cơ thể bên

ngoài. Ngăn cản sự nhiễm bẩn
và tiêu thụ là hằng số.
- Lượng sản phẩm được lấy ra
liên tục và tế bào được quay
vòng liên tục đảm bảo năng
suẩt thu hồi cao
là vấn đề hàng đầu khi thiết kế
hệ lên men, xây dựng và vận
hành, và phải được khắc phục
bởi một công nghệ tốt.
- Việc ứng dụng nuôi cấy liên
tục để sản xuất các sản phẩm
sinh tổng hợp của vi sinh vật
gặp nhiều hạn chế. Mặc dù, về
lý thuyết có khả năng tối ưu một
hệ thống liên tục để có thể tăng
hiệu suất của sự trao đổi chất,
tuy nhiên khả năng ổn định
trong một thời gian dài của các
hệ thống như thế là rất khó khăn
do sự thoái hóa của chủng vi
sinh vật.
Fed-
bath
- Fed-batch được sử dụng để
điều chỉnh quá trình và mở rộng
thời gian sản xuất của quá trình
nuôi cấy mẻ truyền thống mà
không có các nhược điểm cố
hữu của nuôi cấy liên tục đã

được mô tả ở trên
- Ưu điểm chính của cung cấp
thành phần môi trường vào
nuôi cấy là chất dinh dưỡng có
thể được duy trì ở nồng độ rất
thấp trong suốt quá trình lên
men. Nồng độ chất dinh dưỡng
thấp có thể thuận lợi để:
+ Duy trì các điều kiện nuôi cấy
trong phạm vi khả năng thông
khí của hệ lên men.
+ Loại bỏ các ảnh hưởng khắc
nghiệt của các thành phần môi
trường, ví dụ như sử dụng
nhanh các nguồn N,P,C.
+ Tránh các hiệu quả độc của
thành phần môi trường.
- Vẫn giữ 1 số nhược điểm của
batch do tế bào phải được khởi
động như batch,sinh trưởng phải
đạt tới nồng độ tế bào xác định
mới bắt đầu vận hành được
+ Cung cấp một mức độ giới
hạn chất dinh dưỡng cần thiết
cho các chủng dị dưỡng.
HỆ THỐNG LÊN MEN LIÊN TỤC TRONG SẢN XUẤT
CỒN QUY MÔ CÔNG NGHIỆP
Bản chất của phương pháp lên men liên tục là rải đều các giai đoạn
lên men mà mỗi giai đoạn đó được thực hiện trong một hoặc nhiều thiết bị
lên men có liên hệ với nhau. Hệ thống lên men liên tục thường có 11-12

thùng được nối với nhau bằng các ống chảy chuyền và van điều chỉnh. Kết
thúc quá trình lên men ta thu được dấm chín với nồng độ rượu khoảng 7-9%.
Để thu được cồn tinh chế từ dấm chín, người ta thực hiện hai quá trình là
chưng cất và tinh chế. Hai quá trình này được thực hiện trên các tháp chưng
cất và tháp tinh chế.
Quá trình chưng cất là quá trình tách cồn cùng với các tạp chất dễ bay
hơi ra khỏi dấm chín; kết thúc quá trình chưng cất ta được cồn thô.
Quá trình tinh chế là quá trình tách tạp chất ra khỏi cồn thô và cuối
cùng ta nhận được cồn tinh chế.
Ngoài hệ thống thông khí và hệ thống làm nóng và làm lạnh, trong nồi
lên men còn có các hệ thống ống cấy, ống nạp môi trường, ống lấy mẫu, ống
nạp chất chống bọt hoặc các chất khác. Ngoài ra còn có một số máy đo như
các điện cực đo pH, điện cực đo ôxy hoà tan, điện cực chống bọt, ống nhiệt
kế nối với nhiệt kế tự ghi và một áp kế đặt trên ống thoát. Sau cùng có các
cửa quan sát để kiểm soát bên trong nồi và một cửa để thường kỳ tổng vệ
sinh nồi .
Hệ thống lên men liên tục này cho phép thu dấm chín liên tục sau đó
mới chuyển qua giai đoạn chưng cất và tinh chế để thu sản phẩm cuối cùng
là cồn tinh chế