Bài giảng Công nghệ lên men Fermentation Technology

Công nghệ lên men
CÔNG NGHỆ LÊN MEN
FERMENTATION TECHNOLOGY

• Công nghệ lên men, hay công nghệ quá trình sinh học
(bioprocess technology), bắt nguồn từ việc sử dụng vi
sinh vật để sản xuất các thực phẩm như phó mát, sữa
chua, các loại rau củ lên men, xúc xích, nước tương,
các loại thức uống (bia, rượu vang,..)…
• Các quá trình sinh học từng được tiến hành thủ công,
nhưng ngày nay được tiến hành theo quy trình công
nghệ và được áp dụng kiến thức khoa học hiện đại.

Tempeh
19/09/2011 10:58 SA

1

Nguyễn Hữu Trí

19/09/2011 10:58 SA

Lên men là gì?

3

Nguyễn Hữu Trí

Quy trình lên men

• Trong sinh hóa: lên men là quá trình phát sinh năng

lượng trong đó chất hữu cơ vừa là chất cho điện tử vừa
là chất nhật điện tử cuối cùng.
• Trong công nghiệp: lên men mô tả bất cứ quá trình sản
xuất sản phẩm bởi nuôi cấy sinh khối tế bào trong một
thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor)

19/09/2011 10:58 SA

2

Nguyễn Hữu Trí

• Bước 1: Thiết lập môi trường dùng trong tăng sinh
giống và sản xuất
• Bước 2: Thanh trùng môi trường, nồi lên men và các
thiết bị kèm theo
• Bước 3: Nhân sinh khối đủ lớn, mạnh và thuần để
cung cấp chp các bồn len men trong giai đoạn sản
xuất
• Bước 4: Cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự phát
triển của giống để giống sản sinh sản phẩm
• Bước 5: Chiết và tinh chế sản phẩm
• Bước 6: Xử lý những chất thải tạo ra trong quy trình
19/09/2011 10:58 SA

4

Nguyễn Hữu Trí

1

Quy trình lên men

Quy trình lên men
• Quá trình lên men công nghiệp gồm 3
công đoạn chính:

5 -10 mL

– Trước lên men: xử lý, chế biến, phối trộn
và khử trùng nguyên liệu và thiết bị lên
men
– Lên men trong bioreactor với điều kiện
thích hợp để tạo nhiều sản phẩm mục tiêu
– Sau lên men: thu sản phẩm lên men, tinh
chế, bảo quản sản phẩm.

0,2 -1 L
10 -100 L

100 -100.000
19/09/2011 10:58 SA

5

Nguyễn Hữu Trí

6

19/09/2011 10:58 SA

Nguyễn Hữu Trí

Phân loại lên men

Quy trình lên men

Dựa vào cách cho cơ chất vào môi trường và thu
hoạch sản phẩm mà người ta chia thành các dạng
nuôi cấy:
— lên men theo mẻ
— lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất
— lên men liên tục

19/09/2011 10:58 SA

7

Nguyễn Hữu Trí

19/09/2011 10:58 SA

8

Nguyễn Hữu Trí

2

Lên men theo mẻ

Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất

Vi sinh vật được cấy vào nồi lên men sau khi môi trường đã được chuẩn bị.
Trong điều kiện nuôi cấy vô trùng và đảm bảo các điều kiện thích hợp, vi sinh
vật sẽ phát triển theo một đồ thị điển hình gồm các giai đoạn:
(1): pha lag trong pha này vi sinh vật chưa phân
chia, tế bào thích nghi dần với điều kiện môi trường
(2): pha tăng tốc tạm thời trong giai đoạn này mật
độ vi sinh vât bắt đầu tăng nhanh
(3): pha tăng trưởng hàm mũ, vi sinh vật tăng
trưởng với tốc độ cực đại
(4): tăng trưởng chậm, tốc độ tăng trưởng giảm so
với giai đoạn tăng trưởng cực đại
(5): pha ổn định, sự phát triển chậm lại hoặc dừng
hẳn

• Để nâng cao năng suất mẻ lên men người ta
bổ sung cơ chất vào trong quá trình lên men
• 1/ Bổ sung từ từ các chất dinh dưỡng làm
tăng thể tích dịch nuôi cấy, phương pháp này
được sử dụng trong công nghiệp sản xuất
men bánh mì.
• 2/ Bổ sung môi trường mới vào bioreactor
đồng thời rút ra một thể tích dịch nuôi cấy
(không chứa tế bào) tương ứng, phương
pháp này được sử dụng trong nuôi cấy tế bào
động vật

(6): pha chết, tăng trưởng dừng hẳn, tế bào bị phá
hủy
19/09/2011 10:58 SA

9

Nguyễn Hữu Trí

Môi trường luôn được cho vào đồng thời dịch lên men (môi trường, phụ
phẩm, vi sinh vật) được lấy ra với cùng một tốc độ, nhằm giữ thể tích dịch
lên men luôn ổn định.
Phương pháp này cho phép vi sinh vật phát triển dưới các điều kiện ổn
định, sự tăng trưởng diễn ra với tốc độ ổn định, trong một môi trường ổn
định.
Ứng dụng trong một số trường hợp như sản xuất protein đơn bào, ethanol
và trong một số qui trình xử lý nước thải.

11

10

Nguyễn Hữu Trí

Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)

Lên men liên tục

19/09/2011 10:58 SA

19/09/2011 10:58 SA

Nguyễn Hữu Trí

Một số dạng bioreactor phổ biến

a)Biorector khuấy liên tục
b)Bioreactor dạng tháp
c)Bioreactor tuần hoàn
d)Bioreactor yếm khí
e)Bioreactor chứa bùn hoạt
tính xử lý nước thải

19/09/2011 10:58 SA

12

Nguyễn Hữu Trí

3


Bioreactor (thiết bị phản ứng sinh học)
• Bioreactor là thiết bị quan trọng để thực hiện các
quá trình sản xuất sinh học như lên men bia, acid
hữu cơ, acid amin, kháng sinh, enzyme, vaccine,
xử lý chất thải.
• Trong thiết bị lên men, vi sinh vật được phân tán
trong môi trường, khí O2 và các chất dinh dưỡng
được tế bào hấp thu đồng thời các sản phẩm
phụ như nhiệt độ, CO2 , các chất biến dưỡng

không cần thiết phải được loại ra khỏi tế bào.

19/09/2011 10:58 SA

13

Nguyễn Hữu Trí

Cấu tạo cơ bản của nồi lên men
Nồi lên men
Hệ thống thanh trùng
Bộ phận khuấy, cung cấp khí
Hệ thống giám sát – điều
chỉnh nhiệt độ
Hệ thống giám sát – điều
chỉnh pH
Hệ thống nạp mẫu
Hệ thống giám sát – phá bọt

19/09/2011 10:58 SA

Bioreactor

Nguyễn Hữu Trí

Bioreactor

Hình dạng của các
bioreactor thay đổi
nhanh chóng trong vài

thập niên gần đây. Để
nâng cao khả năng
thông khí và khuấy
trộn người ta sử dụng
hai hệ thống cải tiến
sau:

Hệ thống đầu tiên sử dụng các thiết bị
thông khí và khuấy trộn cơ học điển hình
là bồn lên men với hệ thống khuấy trộn ở
trung tâm (centrally stirred tank reactor
CSTR). Các thiết bị này có chứa một
hoặc nhiều cánh khuấy.
Cánh khuấy giúp tăng O2 hòa tan, giúp
các thành phần trong bồn lên men được
phối trộn đều với nhau, tạo điều kiện cho
chất dinh dưỡng và khí O2 thấm vào
trong tế bào, cho phép trao đổi nhiệt tốt
hơn.

—Hệ thống sử dụng
các thiết bị thông khí
và khuấy trộn cơ học
—Hệ thống sử dụng hệ
thống bơm cơ học
hoặc bơm khí động
học
19/09/2011 10:58 SA

14

15

Nguyễn Hữu Trí

19/09/2011 10:58 SA

16

Nguyễn Hữu Trí

4


Bioreactor

Đối với tất cả các quá trình lên men, yêu cầu quan trọng nhất là
phải đảm bảo sao cho mọi thành phần tham gia phải được đặt
trong điều kiện giống nhau. Các thông số lý hóa trong quá trình lên
men phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo cho mỗi tế bào đều
được đặt trong điều kiện như nhau.

Hệ thống thứ hai sử dụng
hệ thống bơm cơ học hoặc
bơm khí động học làm thiết
bị phân phối khí trong
bioreactor. Dung dịch trong
thiết bị này di chuyển theo
dòng tuần hoàn.

19/09/2011 10:58 SA

Để kiểm soát tốt quá trình lên men cần phải hiểu được trạng thái
của quá trình và khả năng đáp ứng của vi sinh vật đối với các điều
kiện khác nhau của môi trường. Các thông số trong quá trình lên
men có thể được kiểm soát một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.
Quá trình kiểm soát trực tiếp được thực hiện thông qua các sensor đặt
trong bồn lên men. Phương pháp này thường được áp dụng với các
thông số như nhiệt độ, pH, hàm lượng O2, CO2 hòa tan.

17

Nguyễn Hữu Trí

Hiệu quả lên men
— Để đạt hiệu quả lên men cao thì cần đáp ứng những
yêu cầu sau
— 1. Thiết bị lên men phải được thiết kế sao cho hạn
chế đến mức thấp nhất khả năng tạp nhiễm.
— 2. Thể tích dịch nuôi cấy trong thiết bị phản ứng phải
được duy trì ổn định tránh thất thoát hoặc bay hơi.
— 3. Mức độ O2 hòa tan phải được điều chỉnh phù hợp
— 4. Các thông số như nhiệt độ, pH cần được kiểm
soát chặt chẽ, các thành phần phản ứng phải được
phối trộn tốt

19/09/2011 10:58 SA

19

Nguyễn Hữu Trí

Kiểm soát gián tiếp được thực hiện bằng cách lấy mẫu trong quá trình
lên men và đem phân tích. Phương pháp này dùng để đo hàm lượng
DNA, RNA, enzyme và sinh khối
19/09/2011 10:58 SA

18

Nguyễn Hữu Trí

Sản xuất trên quy mô lớn (scale up)
Trước hết các quá trình lên men
công nghiệp được thực hiện ở quy
mô phòng thí nghiệm, sau đó nâng
lên mức sản suất thử (pilot) và cuối
cùng là mở rộng sản xuất trên quy
mô công nghiệp.
Các số liệu thu được từ quy mô
phòng thí nhiệm được dùng làm cơ
sở để thiết lập hệ thống pilot và hệ
thống sản xuất công nghiệp.
Khi mở rộng qui mô sản xuất cần
phải chú ý đến chế độ khuấy trộn,
thông khí, kiểm soát các thông số
sản xuất, đảm bảo điều kiện vô trùng
Bioreactor ở quy mô công nghiệp
trong quá trình sản xuất.
19/09/2011 10:58 SA

20

Nguyễn Hữu Trí

5


Thiết kế môi trường cho quá trình lên men
Việc chuẩn bị môi trường có vai trò rất quan trọng, nó là
nền tảng cho toàn bộ quá trình lên men. Nếu môi trường
được thiết kế không tốt sẽ dẫn hiệu quả lên men thấp, vi
sinh vật tăng trưởng kém và năng suất tạo sản phẩm
thấp
Nước thường là thành phần chủ yếu trong môi trường
nuôi cấy tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật, nó ảnh
hưởng đến sự phát triển của sinh vật cũng như sự hình
thành sản phẩm. Nước là nguồn nguyên liệu đầu vào
quan trọng nhất đối với nhiều quá trình lên men nên nó
cần phải được kiểm soát cẩn thận.
19/09/2011 10:58 SA

21

Nguyễn Hữu Trí

Thiết kế môi trường cho quá trình lên men
Nguồn dinh dưỡng cơ bản cần thiết cho sự phát triển
của vi sinh vật gồm nguồn carbon cung cấp năng
lượng, nguồn nitơ, các thành phần vô cơ. Trong hầu
hết các quá trình lên men nguồn carbon và nitơ thường

được lấy từ hỗn hợp các cơ chất rẻ tiền hoặc phế phẩm
từ các quá trình sản xuất.
Quá trình thanh trùng cũng cần được quan tâm đặc biệt
sao cho vừa đảm bảo tiêu diệt toàn bộ các vi sinh vật
tạp nhiễm vừa hạn chế đến mức thấp nhất sự biến chất
của các thành phần môi trường.
Phương pháp thanh trùng theo mẻ đang được sử dụng
rộng rãi

Lên men cơ chất rắn

– Ở phương Đông: nước tương, tempeh, sản xuất enzyme trên
quy mô công nghiệp.
– Ở phương Tây: thức ăn gia súc ủ chua (silage), nuôi trồng nấm,
sản xuất phó mát và sauerkraut, và làm phân bón từ thực vật và
chất thải động vật.
– Một số sản phẩm khác: ethanol, methane, sinh khối sinh vật có
thể ăn được (edible biomass).
19/09/2011 10:58 SA

Nguyễn Hữu Trí

Ví dụ về lên men sử dụng cơ chất rắn

• Cơ chất sử dụng: hạt ngũ cốc, cám lúa mì, rơm, mùn cưa
hay gỗ dăm bào, và nhiều loại nguyên liệu từ động vật và
thực vật.
Các hợp chất này là những phân tử polymer, không tan hay
ít tan trong nước, giá thành rẻ, dễ thu nhận; là nơi tập trung
nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển.

• Thành phần vi sinh vật trong lên men cơ chất rắn có thể là
chủng thuần hoặc hỗn hợp vi sinh vật.
• Thực phẩm lên men cơ chất rắn:

23

22

19/09/2011 10:58 SA

Nguyễn Hữu Trí

Ví dụ

Cơ chất

Vi sinh vật liên quan

Sản phẩm từ nấm
(Châu Âu và phương Đông)

Rơm, phân bón

Agaricus bisporus
Lentinus edodes
Volvariella volvaceae

Sauerkraut (dưa cải bắp Đức)

Cải bắp

Vi khuẩn lactic

Nước tương

Đậu nành và lúa mì

Aspergillus oryzae
Rhizopus oligosporus

Tempeh

Đậu nành

Ontjom

Bánh đậu phộng ép

Neurospora sitophila

Phó mát

Sữa đông

Penicillium roquefortii
Thiobacillus spp.

Tuyển khoáng

Quặng giá trị thấp

Acid hữu cơ

Đường mía, mật rỉ đường

Aspergillus niger

Enzymes

Cám mì, …

Aspergillus niger

Làm phân bón

Hỗn hợp vật liệu hữu cơ

Nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn

Xử lý chất thải

Chất thải

Vi khuẩn, nấm và động vật
nguyên sinh

19/09/2011 10:58 SA

24

Nguyễn Hữu Trí

6


Thuận lợi và bất lợi của lên men
cơ chất rắn so với lên men lỏng
Thuận lợi
Môi trường đơn giản, giá thành rẻ.
Nguyên liệu có độ ẩm thấp tiết
kiệm được không gian của
bioreactor, lượng chất lỏng cần xử
lý ít, nguyên liệu chứa ít vi sinh vật
hơn, thường không cần khử trùng,
dễ xử lý sau lên men.
Nhu cầu thông khí có thể được đáp
ứng bằng khuếch tán khí hoặc làm
thông khí không liên tục.
Năng suất sản phẩm có thể cao.
Chi phí năng lượng thấp hơn so với
bioreactor thùng khuấy.
19/09/2011 10:58 SA

Lên men cơ chất rắn
• Các loại bioreactor sử dụng trong lên men cơ chất rắn
- không khuấy trộn

Bất lợi

- khuấy trộn gián đoạn

Các quá trình bị hạn chế chủ yếu
do khuôn chịu được độ ẩm thấp.
Tạo ra lượng nhiệt trao đổi khi
tiến hành trên quy mô lớn.
Khó kiểm soát chính xác độ ẩm,
sinh khối, lượng O2, CO2

- khuấy trộn liên tục
• Koji được sản xuất trong hệ thống nuôi cấy mẻ bán liên
tục hoặc liên tục.
• Một số quá trình lên men cơ chất rắn cần tiến hành tiền xử
lý nguyên liệu thô để tăng giá trị dinh dưỡng và giảm kích
thước của các thành phần (ví dụ như bột rơm, cắt nhỏ
nguyên liệu thực vật)

Bioreactor thiết kế không hoạt
động tốt.
Sự giới hạn sản phẩm.
Tốc độ phát triển của vi sinh vật
thấp hơn.
25

Chi phí của tiền xử lý phải cân đối với giá trị sản phẩm
cuối

Nguyễn Hữu Trí

19/09/2011 10:58 SA

Đầu những năm 1950, virus bại liệt được nuôi cấy số lượng lớn
trong các tế bào động vật được nuôi cấy để chế vaccine chống bại
liệt.
Vaccine virus khác như quai bị, sởi, adenovirus

•

Nửa cuối thế kỷ 20, tập trung vào cải tiến môi trường và quá trình
để tạo ra tế bào có khả năng phát triển, tồn tại độc lập
nuôi cấy
và có khả năng phân chia tích cực
Các loại tế bào được nuôi cấy : người, chuột (rat, mice, hamster),
khỉ, gia súc, cừu, ngựa và gần đây là cá và côn trùng.

•

Thành phần môi trường: chất hữu cơ như amino acid, vitamin, acid
hữu cơ và các chất khác, đệm muối vô cơ.
Vài loại môi trường còn chứa huyết thanh (5-20%) để cung cấp
nhân tố tăng trưởng, nguyên tố vi lượng, chất béo,…

19/09/2011 10:58 SA

27

Nguyễn Hữu Trí

Nguyễn Hữu Trí

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật
•

26

•

Trong môi trường dinh dưỡng thích hợp, tế bào động vật phát triển
như sinh vật đơn bào, sinh sản bằng cách phân đôi. Các tế bào
động vật thiếu vách cứng bên ngoài tế bào nên dễ bị tổn thương do
lực tác động và do thay đổi áp suất thẩm thấu.

•

Nuôi cấy tế bào mới được phân tách từ cơ thể động vật gọi là nuôi
cấy sơ cấp.
Ở giai đoạn này,các tế bào thường ở dạng hỗn hợp không đồng
nhất nhưng vẫn còn đại diện cho các loại tế bào mẹ và biểu hiện đặc
tính đặc hiệu mô.

•

Sau vài lần nuôi cấy thứ cấp trên môi trường mới, các dòng tế bào
sẽ chết hoặc biến đổi thành dòng tế bào có khả năng phân chia liên
tục.
Các dòng tế bào này có nhiều thay đổi so với khi nuôi cấy sơ cấp về
hình thái tế bào, tốc độ tăng trưởng gia tăng, gia tăng sự biến đổi
nhiễm sắc thể,…
19/09/2011 10:58 SA

28

Nguyễn Hữu Trí

7


Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật
•

Tế bào động vật có thể phát triển trong nuôi cấy huyền phù hoặc
trên bề mặt rắn.
– Tế bào Hela (tế bào từ khối u ác tính ở người) có thể phát triển
trong cả hai trạng thái.

•

Nuôi cấy huyền phù: sử dụng bioreactor dạng thùng khuấy với thể tích
khá lớn dựa trên cơ sở bioreactor trong nuôi cấy mẻ từ nghiên cứu vi
sinh vật.

•

Kết hợp nuôi cấy bám và nuôi cấy huyền phù: sử dụng những hạt mang
cực nhỏ (microcarrier beads).

– Tế bào nguyên bào lympho (lymphoblastoid) có thể phát triển

trong môi trường lỏng.

Nuôi cấy lớp đơn tế bào động vật bị ảnh hưởng bởi diện tích bề
mặt có khả năng bám
phải tìm cách gia tăng diện tích bề mặt

Nguyên tắc: các tế bào cần chỗ bám
(anchorage-dependent cells) được gắn lên
những hạt DEAE-Sephadex đặc biệt, các hạt
này có khả năng lơ lửng trong huyền phù. Bằng
cách này những lợi thế về kỹ thuật của
bioreactor thùng khuấy có thể được sử dụng
với những tế bào được neo lại.

Nuôi cấy trong ống hoặc bình chứa quay tròn để bảo đảm sự trao
đổi khí và chất dinh dưỡng.

Phần lớn quy trình nuôi cấy tế bào động vật liên quan đến nuôi cấy
huyền phù tế bào.

– Các tế bào lưỡng bội sơ cấp hoặc tế bào ban đầu chỉ phát triển
trên môi trường rắn.
•

Gần đây, sử dụng những vòng ống Teflon có khả năng cho khí đi
qua, mỗi ống có diện tích bề mặt 10 000 cm2, có thể kết hợp 20 ống
thành một thiết bị nuôi cấy.
19/09/2011 10:58 SA

29

Nguyễn Hữu Trí

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật
•

•

•

Ứng dụng:
– Sản xuất vaccine (bại liệt, quai bị, bệnh dại,…),
– Nghiên cứu độc chất và thuốc nhằm giảm thử nghiệm trên động vật
– Sản xuất các cơ quan nhân tạo và da
– Sản xuất protein dùng cho chẩn đoán (kháng thể đơn dòng),
interferons, hormones, insulin,…
Kháng thể đơn dòng là sản phẩm quan trọng nhất trong nuôi cấy tế bào
động vật (đạt giá trị gần 3 tỉ $ năm 2001, và hiện đang gia tăng).
Trong tương lai: cải tiến các dòng tế bào theo các hướng như gia tăng
năng suất, khả năng phát triển trên môi trường không có huyết thanh và gia
tăng phạm vi sản xuất các phân tử sử dụng trong trị liệu ở người.
Các dòng tế bào động vật (tế bào buồng trứng chuột, tế bào ung thư tủy
sống ở chuột (mouse myeloma), tế bào võng mạc người, tế bào thận phôi
người) là hệ thống chiếm ưu thế trong sản xuất protein tái tổ hợp ứng dụng
trong điều trị bởi vì chúng có thể tạo ra protein được gấp cuộn đúng, có
khả năng lắp ráp và biến đổi sau dịch mã.

19/09/2011 10:58 SA

31

Nguyễn Hữu Trí

•

microcarrier bead

Hầu như tất cả những quy trình sản xuất có năng suất cao đều sử dụng
phương pháp nuôi cấy huyền phù theo mẻ hoặc nuôi cấy bán liên tục.
19/09/2011 10:58 SA

30

Nguyễn Hữu Trí

Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật
• Kỹ thuật chế tạo mô là một dạng của y học phục hồi, những sản
phẩm chính như da đang trở thành một phương pháp trị liệu
thành công.
• Những sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô có giá thành sản xuất
và chi phí nghiên cứu cao.
• Phần lớn những sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô ở người được
tiến hành bằng cách nuôi cấy tế bào từ chính bệnh nhân hoặc
người hiến tặng và sau đó cho chúng mọc trên một giá thể thích
hợp và kích thích các tế bào tăng sinh để hình thành các mô đặc
trưng.
Xương

Giá thể được tạo ra từ các vật liệu sinh học tự
nhiên, tổng hợp hay bán tổng hợp. Cấu trúc

của giá thể sẽ xác định hình dạng của mô.
Sản phẩm của kỹ thuật chế tạo mô có thể thay
thế cho mô của người hiến tặng sử dụng
trong cấy ghép và phẩu thuật tái tạo.
19/09/2011 10:58 SA

32

PCL
Nguyễn Hữu Trí

Xương phát triển trên giá thể PCL

8


Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật
•

Nuôi cấy tế bào thực vật hay cơ quan
trong vi nhân giống thực vật

•

Nuôi cấy huyền phù tế bào nhiều loài
thực vật trong bioreactor để thu được
lượng lớn sản lượng như nicotine,
alkaloids và nhân sâm (ginseng),...
các quy trình như vậy được xem như là
công nghệ sinh học tế bào thực vật.

•

Hiện tại người ta dự định lên men trên
quy mô lớn để sản xuất thương mại
các sản phẩm từ thực vật có giá trị cao
như mao địa hoàng (digitalis), hoa
nhài, bạc hà (spearmint), codeine,…

19/09/2011 10:58 SA

33

Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật
• Phương pháp lên men theo cách tăng sinh tế bào thực vật
trong môi trường lỏng được khuấy trộn bắt nguồn từ kỹ
thuật nuôi cấy vi sinh vật.
• Tế bào thực vật phát triển chậm hơn so với tế bào vi sinh
vật

Bioreactor nuôi cấy rễ tơ
nhân sâm Hàn Quốc

• Đặc tính phổ biến của nuôi cấy tế bào thực vật: giai đoạn
tăng trưởng và giai đoạn tạo sản phẩm thường tách biệt
nhau, đòi hỏi điều kiện cho tăng trưởng và tạo sản phẩm
được tối ưu hóa theo cách khác nhau.
• Quá trình nuôi cấy theo mẻ và fed-batch (lên men bổ sung
dinh dưỡng) là những hệ thống bioreactor phổ biến nhất.

Nguyễn Hữu Trí

Quá trình xử lý sau lên men chủ yếu liên quan đến việc phân tách
dịch lên men trong bioreactor thành pha lỏng và pha rắn, và sau đó là
cô đặc và tinh sạch sản phẩm.
Quá trình xử lý sau lên men gồm nhiều giai đoạn
Phân tách

• Các sản phẩm khác nhau đáng kể về kích thước phân tử,
thành phần hóa học, yêu cầu về độ tinh sạch
cần các phương pháp khác nhau để thu hồi và tinh sạch
Thiết kế quá trình xử lý sau lên men phù hợp với từng sản
phẩm để hiệu quả thu hồi sản phẩm cao.
• Quá trình xử lý sau lên men là một công đoạn tốn nhiều chi
phí trong toàn bộ quá trình sản xuất. Sự cải tiến quá trình xử
lý sau lên men sẽ giúp tăng hiệu quả và giảm chi phí của
toàn bộ quy trình.
19/09/2011 10:58 SA

35

Nguyễn Hữu Trí

Nguyễn Hữu Trí

Quá trình xử lý sau lên men

Quá trình xử lý sau lên men
• Quá trình sau lên men liên quan đến tách chiết và tinh chế
sản phẩm thành dạng thích hợp cho mục đích nhất định.

• Các loại sản phẩm: toàn bộ tế bào, amino acid, vitamin, acid
hữu cơ, dung môi, enzyme, vaccine, protein trị liệu, kháng
thể đơn dòng.

34

19/09/2011 10:58 SA

Cô đặc

Tinh chế

Lọc (Filtration)
Ly tâm (Centrifugation)
Tuyển nổi (Flotation)
Phá vỡ (Disruption)
Hòa tan (Solubilisation)
Ly trích (Extraction)
Xử lý nhiệt (Thermal processing)
Lọc qua màng (Membrane filtration)
Kết tủa (Precipitation)
Kết tinh (Crystallisation)
Sắc ký (Chromatography)

Biến đổi
Làm khô
19/09/2011 10:58 SA

36

Nguyễn Hữu Trí

9


Quá trình xử lý sau lên men

Quá trình xử lý sau lên men

• Quá trình xử lý sau lên men phụ thuộc rất nhiều vào tính chất
vật lý và hóa học của sản phẩm.
• Sự phân tách các thành phần trong pha lỏng của dịch lên men
có thể liên quan tới quá trình lắng, lọc, ly tâm hay phân tách
bằng điện động học
mức độ cuối cùng của quá trình phụ
thuộc vào mục đích sử dụng của sản phẩm cuối cùng.
Khi sản phẩm đã được tách khỏi pha lỏng và pha rắn (như sinh
khối vi sinh vật), dịch lên men sẽ được loại bỏ và xử lý.
• Các phương pháp được sử dụng tách riêng sản phẩm cuối bao
gồm: làm khô, chưng cất, lắng, lọc màng, sắc ký hấp thụ, sắc ký
ái lực, sắc ký trao đổi ion và sắc ký lọc gel,…
• Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn tinh sạch sau lên men cần
có mức độ ổn định nhất định để tiêu thụ trên thị trường.
• Cần cần thận để tránh sự nhiễm vi sinh vật và tránh sự hư
hỏng, tránh sự biến tính sản phẩm có chứa protein.

• Cần hiểu biết về động học tăng trưởng và tạo sản phẩm của
từng đối tượng (vi sinh vật, tế bào thực vật, động vật) để thiết
kế môi trường lên men phù hợp, hiệu suất tạo sản phẩm cao.

19/09/2011 10:58 SA

37

Nguyễn Hữu Trí

Các sản phẩm lên men trong công
nghiệp thực phẩm
Các sản phẩm từ sữa (phô mai, sữa chua), sản phẩm từ cá
và thịt
Thức uống (rượu, trà và cà-phê)
Nấm men bánh mì (Baker’s yeast)
Phụ gia thực phẩm (chất chống oxi hóa, chất tạo màu, gia
vị,…)
Các thực phẩm truyền thống (nước tương, tempeh, miso)
Các sản phẩm từ nấm
Amino acid, vitamin
Các sản phẩm từ tinh bột
Glucose, siro có hàm lượng fructose cao (high-fructose
syrup)
Các protein được cải biến, pectin

19/09/2011 10:58 SA

39

Nguyễn Hữu Trí

Thiết kế quá trình xử lý sau lên men phải phù hợp với từng sản
phẩm và giá thành sản phẩm.

• Quá trình xử lý sau lên men sẽ tiếp tục là một trong những
công đoạn nhiều thử thách nhất của quá trình công nghệ sinh
học.

19/09/2011 10:58 SA

38

Nguyễn Hữu Trí

Các sản phẩm lên men trong công
nghiệp thực phẩm
Các sản phẩm như thực phẩm và thức uống vẫn là sản
phẩm thương mại chính. Các sản phẩm mới từ vi khuẩn,
động vật và tế bào thực vật đang tăng lên, gồm:
– Các chất trao đổi sơ cấp như acid acetic và acid lactic,
glycerol, acetone, butyl alcohol, acid hữu cơ, amino acid,
vitamin và các loại đường đa (polysaccharide).
– Các chất trao đổi thứ cấp như penicillin, streptomycin,
cephalosporin, giberellin,…
– Enzymes sử dụng trong công nghiệp như enzyme ngoại
bào (như là amylases, pectinases và proteases) và
enzyme nội bào (invertase, asparaginase, các enzyme cắt
giới hạn, ...)
– Kháng thể đơn dòng, vaccine, protein dùng trong chữa
bệnh.
19/09/2011 10:58 SA

40

Nguyễn Hữu Trí

10


Các sản phẩm lên men trong công
nghiệp thực phẩm

Protein đơn bào (SCP)
• Sinh khối vi sinh vật được tổng hợp thương
mại gọi là protein đơn bào (SCP - single cell
protein) sử dụng các loài tảo đơn bào như
Chlorella hoặc Spirulina được sử dụng cho
người hoặc động vật, hoặc tế bào nấm men
được sử dụng trong ngành công nghệ nước
giải khát, sinh khối vi khuẩn cũng được sử
dụng làm thức ăn cho động vật, sinh khối của
Fusarium graminearum cũng được sử dụng
cho mục đích này.

19/09/2011 10:58 SA

41

Nguyễn Hữu Trí

Protein đơn bào (SCP)
- Nuôi cấy vi sinh vật tận dụng những phụ
phẩm của các ngành công nghiệp như bã
mía, phụ phẩm dầu mỏ… để thu sinh khối

như một nguồn cung cấp protein cho người
và gia súc hay còn được gọi là protein đơn
bào (SCP – single cell protein).
- Công nghệ này ngày càng phát triển và
hướng tới việc tạo những vi sinh vật sản
xuất những chất cần thiết như acid amin,
vitamin, acid nucleic…
19/09/2011 10:58 SA

43

Nguyễn Hữu Trí

19/09/2011 10:58 SA

42

Nguyễn Hữu Trí

SCP từ các vật liệu chất thải hữu cơ
Những vật liệu mà tạo nên các chất thải hữu cơ thường nên
được tái chế trở lại hệ sinh thái, ví dụ chất thải carbohydarte,
đường, tinh bột, nước sữa, mật đường; chất thải
lignocellulose, rơm, bã mía,và cả phân xanh của động vật.
Nhiều chất thải được đề xuất là có thể được biến đổi thành
protein mà động vật và có thể là con người cũng ăn được
Có hai cách tiếp cận nghiên cứu là nhận được sự công nhận
là đã đóng góp to lớn vào việc dùng protein của con người:
protein nấm (myco-protein) QuornTM và sản xuất nấm ăn
được.

19/09/2011 10:58 SA

44

Nguyễn Hữu Trí

11


QuornTM myco-protein
(protein đơn bào của công ty Marlow Foods Ltd có tên thương
mại là QuornTM myco-protein)

Ba tiêu chuẩn được xem xét cho thực phẩm protein đơn
bào là :
— Nó phải “ngon” để ăn
— Sản phẩm cuối cùng các cơ chất và chất trung gian
được dùng trong quá trình chế biến phải an toàn để
ăn.
— Quan trọng nhất là thực phẩm cuối cùng giàu dinh
dưỡng
Vi sinh vật là một nguồn SCP tuyệt vời nhưng chỉ có một
sản phẩm SCP được chấp nhận để cho con người tiêu
thụ đó là protein nấm.
19/09/2011 10:58 SA

45

Nguyễn Hữu Trí

Myco-protein là sinh khối tế bào được chế
biến từ nấm sợi Fusarium venenatum.
Sau đó sản xuất quy mô lớn các tháp
lên men chứa chu trình áp suất,
V=40.000l (có khả năng sản xuất 1000 tấn
mycoprotein mỗi năm )
Gần đây là thiết bị lên men V=150
000l nuôi cấy nấm trong các dòng chảy
liên tục (có khả năng sản xuất 5000-7000
tấn mycoprotein mỗi năm )
Môi trường lỏng đã khử trùng được bơm
liên tục vào trong thiết bi lên men. Môi
trường chứa đường glucose, cùng với
muối khoáng và yếu tố tăng trưởng giúp
sợi nấm mọc dài hơn. Không khí khử
trùng và amonia cũng được bơm vào.
Nhiệt độ duy trì ở 30-32oC và sinh khối
tăng gấp đôi sau mỗi 5 giờ.
19/09/2011 10:58 SA

47

Myco-protein là sinh khối tế bào được chế
biến từ nấm sợi Fusarium venenatum.
Chủng F. venenatum PTA-2684 được nuôi cấy từ một mẫu đất
trồng lấy từ Buckinghamshire, United Kingdom, Marlow Foods Ltd
chọn chủng này từ hơn 3000 sinh vật thu nhận trên khắp thế giới
Nguồn cơ chất là tinh bột tinh bột cần thiết phải bị thủy phân
thành carbohydrate hòa tan (glucose) để kiểm soát sự lên men tốt

Ở những nghiên cứu ban đầu, sinh khối hệ sợi nấm của proteinnấm được sản xuất trong các thùng bioreactor có cánh khuấy
300l.
Kiểm tra an toàn của sản phẩm trên phạm vi rộng một khoảng
thời gian là trên 12 năm trên các động vật và con người (các tình
nguyện viên), cho thấy là mycoprotein có thể được tiêu thụ, không
có bất kì tác hại nào.

19/09/2011 10:58 SA

46

Nguyễn Hữu Trí

Myco-protein là sinh khối tế bào được chế
biến từ nấm sợi Fusarium venenatum.
• Fusarium được cấy vào trong thiết bị lên
men được tổ chức ở dạng một hệ thống
nuôi cấy liên tục chạy rất nhiều tuần.
• Dưới những diều kiện phát triển tối ưu,
thời gian nhân đôi của hệ sợi nấm là nằm
giữa 3.5 và 4.1 cho phép sản xuất 300 đến
350 kg sinh khối trên giờ.

Nguyễn Hữu Trí

19/09/2011 10:58 SA

48

Nguyễn Hữu Trí

12


Myco-protein là sinh khối tế bào được chế
biến từ nấm sợi Fusarium venenatum.
Sinh khối sau đó được đưa vào xử
lý nhiệt để giảm hàm lượng
RNA Sinh khối nấm được đun
nóng lên đến 90 C và được cô đặc
bằng ly tâm
bột nhão
định hình
bởi kỹ thuật chế biến thực phẩm
thành những hình dạng thích hợp
cho những sản phẩm cuối,
thêm
gia vị, màu sắc …
QuornTM cung cấp một thực phẩm
hàm lượng calo thấp (80kcal/100g),
không có chất béo động vật và
cholesterol và hàm lượng chất béo
bão hòa thấp, chất xơ cao
19/09/2011 10:58 SA

49

Sản xuất nấm ăn được

-Nuôi các nấm sinh bào tử có thể ăn được trên chất thải lignocellulose như gỗ và rơm

-Trong quá trình nuôi cấy cơ chất cho sự phát triển của :
• Agaricus bisporus là rơm đã lên men
Nguyễn Hữu Trí

• Lentinula là gỗ
19/09/2011 10:58 SA

50

Nguyễn Hữu Trí

Nuôi nấm Agaricus

Nuôi nấm Lentinula edodes

Rơm được trộn với phân động vật và các hợp chất nitơ hữu
cơ từ 1 đến 2 tuần sản phẩm cuối là một cơ chất duy nhất
thích hợp cho sự phát triển nhanh của Agaricus

Lentinula edodes là nấm được trồng phổ biến thứ hai trên thế
giới và nó đã được trồng trên 2000 năm

Không có một công thức phân trộn chuẩn nào, hiện tại chỉ
dựa vào sự sẵn có và giá của các vật liệu thô và các chất bổ
sung trong một khu vực trồng cụ thể.
Khi nấm sợi đã mọc khắp trong phân trộn đã được chuẩn bị
(thường chứa trong các hộp bằng gỗ lớn), các điều kiện nhiệt
độ, độ ẩm của môi trường bị thay đổi và sau đó cấu trúc nấm
lớn hình thành một cách nhanh chóng với một số lượng lớn
hay gọi là “nảy mầm”.

Sau đó chúng được thu hoạch bằng cách cắt bằng tay và
khoảng từ 7 đến 10 ngày sau đó sẽ tới một vụ khác. Thường
thì có tới 4 vụ trước khi quá trình chế biến kết thúc
19/09/2011 10:58 SA

51

Nguyễn Hữu Trí

Hiện nay trên 90% sản lượng của nó được sản xuất ở Nhật
nhưng sự nuôi cấy đã mở rộng đến Trung quốc, hàn quốc,
singapore, đài loan, sri lanka và gần đây là sang Mỹ và châu âu.
Phương pháp nuôi cấy truyền thống là cấy bào tử hay sợi nấm
vào khúc gỗ (1.8m ×0.15 m) để khúc gỗ tới tới 5 tháng để các
nấm mọc lên sau đó trong suốt thời gian đầu của mùa hè và
mùa thu, các nấm sẽ phát triển mạnh và được thu hoạch.
Việc sản xuất theo mùa này được tăng cường bởi sự sấy khô
nấm để có thể tiêu thụ quanh năm.
Nấm thu toàn bộ chất dinh dưỡng từ lignoceluose của khúc gỗ.
19/09/2011 10:58 SA

52

Nguyễn Hữu Trí

13


Nuôi nấm Lentinula edodes
Gần đầy hơn, một phương pháp mới của việc nuôi cấy đã phát

triển:mùn cưa được trộn với chất bổ sung ngũ cốc và được ép
thành các gói nhựa lớn- sự sản xuất trên khúc gỗ nhân tạo Các
túi được khử trùng
sau đó cấy vô trùng các nấm thuần
sau
môt khoảng thời gian phát triển sinh dưỡng, được cảm ứng để sản
xuất nấm
Cuối cùng, sau khi sản xuất
nấm, các cơ chất đã dùng rồi
có thể dùng làm thức ăn cho
động vật hay làm phân sinh
học.

Chân thành cảm ơn

Lentinula edodes và các loài
nấm châu á khác là các loại
nấm chữa bệnh
19/09/2011 10:58 SA

53

Nguyễn Hữu Trí

19/09/2011 10:58 SA

54

Nguyễn Hữu Trí

14