Kỹ thuật lên men công nghiệp Hoàng Văn Quốc Chương

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KỸ THUẬT LÊN MEN
CÔNG NGHIỆP
(Bản thảo)
TS. HOÀNG VĂN QUỐC CHƯƠNG
Thành phố Hồ Chí Minh - 2016

2. 1
MỤC LỤC
1. Khái niệm lên men ............................................................................................3
2. Ứng dụng của các quá trình lên men ................................................................4
2.1. Sản xuất sinh khối vi sinh vật........................................................................4
2.2. Sản xuất enzyme vi sinh vật ..........................................................................4
2.3. Sản xuất các chất trao đổi vi sinh vật............................................................4
2.4. Sản xuất các sản phẩm tái tổ hợp..................................................................5
2.5. Hỗ trợ các quá trình biến nạp .......................................................................8
3. Quá trình phát triển của công nghiệp lên men.................................................8
CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONG
QUÁ TRÌNH LÊN MEN 10
1. Phân loại phương pháp lên men........................................................................10
2. Phương pháp lên men mẻ..................................................................................10
3. Phương pháp lên men liên tục...........................................................................14
4. Phương pháp lên men mẻ-bổ sung (fed-batch).................................................16
5. Lên men mật độ cao ...........................................................................................19
CHƯƠNG 3. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ LÊN MEN CÔNG NGHIỆP...................... 20
1. Giới thiệu............................................................................................................20
2. Các công đoạn của qui trình lên men.................................................................21
3. Hệ thống thiết bị liên quan đến qui trình lên men ............................................29
CHƯƠNG 4. MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP....... 34
1. Giới thiệu............................................................................................................34
2. Thiết kế môi trường lên men.............................................................................35
3. Các thành phần của môi trường lên men...........................................................38
4. Đánh giá môi trường..........................................................................................52
5. Phương pháp đường hóa tạo dung dịch glucose từ tinh bột.............................52
6. Xử lý mật rỉ mía đường tạo dung dịch đường phục vụ cho lên men.................54
CHƯƠNG 5. KHỬ TRÙNG TRONG LÊN MEN CÔNG NGHIỆP ........................... 56
1. Mục đích khử trùng trong lên men....................................................................56
2. Yêu cầu khi khử trùng........................................................................................57
3. Phương pháp khử trùng.....................................................................................57
4. Động học sự chết của vi sinh vật bởi nhiệt ........................................................59
5. Khử trùng môi trường........................................................................................62
5.1. Khử trùng theo phương pháp liên tục..........................................................63
5.2. Khử trùng theo phương pháp mẻ.................................................................66
6. Khử trùng nồi lên men.......................................................................................66
7. Lọc không khí.....................................................................................................68
CHƯƠNG 6. KIỂM SOÁT NUÔI CẤY ................................................................... 70
1. Kiểm soát tăng trưởng tế bào ............................................................................70
2. Kiểm soát pH ......................................................................................................74
3. Kiểm soát nhiệt độ .............................................................................................75
4. Kiểm soát hàm lượng oxygen hòa tan trong môi trường lên men....................78
5. Kiểm soát tốc độ bổ sung môi trường dinh dưỡng trong quá trình lên men....82
6. Phá bọt trong quá trình lên men........................................................................85
6. 1. Tạo bọt và các nhân tố gây tạo bọt..............................................................85
6.2. Những trở ngại gây nên bởi bọt...................................................................86
6.3. Kiểm soát bọt................................................................................................86
7. Theo dõi và tính toán kết quả lên men ..............................................................89

3. 2
1. Nồng độ sản phẩm...........................................................................................89
2. Sản lượng........................................................................................................89
3. Hiệu suất .........................................................................................................90
CHƯƠNG 7. TỐI ƯU HOÁ HỆ THỐNG LÊN MEN............................................... 95
1. Cải tiến giống......................................................................................................95
2. Cải tiến thiết bị ...................................................................................................96
3. Tăng cường các điều kiện thích hợp trong quá trình nuôi cấy .........................96
4. Phương pháp thiết kế thí nghiệm để xác định các điều kiện tối ưu cho lên men
..............................................................................................................................102
CHƯƠNG 8. NHIỄM TẠP KHUẨN VÀ NGUYÊN TẮC PHÒNG CHỐNG TẠP
NHIỄM TRONG LÊN MEN .................................................................................. 103
1. Hậu quả của sự nhiễm tạp khuẩn ....................................................................103
2. Phát hiện tạp nhiễm.........................................................................................103
3. Nguyên nhân tạp nhiễm...................................................................................104
4. Nguyên tắc phòng chống nhiễm trong lên men...............................................105
5. Cách phát hiện - đánh giá nguồn gốc tạp nhiễm..............................................106
6. Một số điểm cần lưu ý khi truy tìm nguồn gốc gây tạp nhiễm ........................108
CHƯƠNG 9. THU HỒI VÀ TINH CHẾ SẢN PHẨM LÊN MEN ........................... 109
1. Giới thiệu.......................................................................................................109
2. Các phương pháp tách tế bào...........................................................................113
2.1. Phương pháp lắng tủa ...............................................................................113
2.2. Phương pháp ly tâm..................................................................................113
2.3. Phương pháp lọc........................................................................................114
2.4. Phương pháp tạo bọt.................................................................................118
3. Phương pháp phá màng tế bào........................................................................119
3.1. Phương pháp vật lý ...................................................................................119
3.2. Phương pháp hóa học................................................................................123
- Dùng dung môi...........................................................................................126
3.3. Phương pháp sinh học-Enzyme ................................................................126
4. Phương pháp thu hồi và tinh sạch sản phẩm ..................................................127
4.1. Phương pháp chiết lỏng - lỏng..................................................................127
4.2. Phương pháp thẩm tích.............................................................................128
4.3. Phương pháp kết tủa.................................................................................130
5. Phương pháp sắc ký tinh sạch sản phẩm lên men...........................................134
5.1. Sắc kí lọc gel (Gel Permeation Chromatography Size Exclusion
Chromatography).............................................................................................135
5.2. Sắc kí ái lực (Affinity Chromatography) ...................................................137
5.3. Phương pháp sắc ký trao đổi ion ..............................................................138
CHƯƠNG 10. XỬ LÝ CHẤT THẢI CỦA QUI TRÌNH LÊN MEN...................... 141
1. Giới thiệu về xử lý chất thải và các phương pháp xử lý...................................141
1.1. Giới thiệu...................................................................................................141
1.2. Các phương pháp xử lý chất thải...............................................................143
2. Tiếp cận xử lý chất thải của qui trình lên men công nghiệp............................147
3. Triết lý “không phát thải”.................................................................................148
CHƯƠNG 11. BÀI TẬP ÁP DỤNG ................................................................... 149
1. Bài tập...............................................................................................................149
2. Bài giải..............................................................................................................151
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 157
PHẦN PHỤC LỤC................................................................................................ 158

4. 3
CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM LÊN MEN VÀ ỨNG DỤNG
1. Khái niệm lên men
Thuật ngữ “lên men” bắt nguồn từ động từ “fervere” trong tiếng Latin, có
nghĩa là làm sôi bọt (nổi bọt), nhằm mô tả hiện tượng hoạt động của nấm men
trong dịch chiết trái cây hoặc dịch chiết đại mạch. Hiện tượng sôi bọt này là do
CO2 sinh ra bởi sự phân giải hiếu khí của các loại đường có trong dịch chiết. Tuy
nhiên, đối với các nhà sinh hoá và các nhà sinh vật học thì thuật ngữ lên men còn
có ý nghĩa khác. Về phương diện sinh hóa thì lên men có ý nghĩa liên quan đến sự
sinh năng lượng bởi quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ, trong khi đó, về
phương diện vi sinh vật học trong công nghiệp thì nghĩa của lên men rộng hơn.
Sự phân giải đường là một quá trình oxy hoá dẫn đến việc tạo thành các
phân tử pyridine nucleotides ở dạng khử và sau đó các phân tử này lại tiếp tục bị
oxy hoá cho các quá trình tiếp theo. Trong điều kiện hiếu khí, sự oxy hóa các phân
tử pyridine nucleotides diễn ra bằng sự chuyển điện tử thông qua hệ thống
cytochrome mà trong đó oxygen đóng vai trò là chất nhận điện tử cuối cùng. Tuy
nhiên, trong điều kiện kỵ khí, sự oxy hoá các pyridine nucleotides dạng khử diễn
ra cùng với sự khử của một hợp chất hữu cơ mà thường là sản phẩm trung gian
của một quá trình phân giải. Đối với trường hợp về sự hoạt động của nấm men
trong dịch nước trái cây hoặc dịch chiết ngũ cốc, NADH được hình thành nhờ sự
khử của acid pyruvic thành ethanol. Các chủng vi sinh vật khác nhau có khả năng
khử pyruvate thành các sản phẩm khác nhau và rất đa dạng. Do vậy, thuật ngữ lên
men được sử dụng đúng theo ý nghĩa sinh hóa là một quá trình sinh năng lượng
trong đó các chất hữu cơ đóng vai trò vừa là chất cho vừa là chất nhận điện tử.
Quá trình sinh tổng hợp alcohol nhờ tác động của nấm men trong dịch chiết
đại mạch hoặc dịch chiết trái cây đã được thực hiện với qui mô lớn từ rất lâu và
đã trở thành chất trao đổi của vi sinh vật được sản xuất công nghiệp đầu tiên. Do
vậy, các nhà vi sinh vật học công nghiệp đã mở rộng khái niệm lên men để mô tả
bất kỳ qui trình sản xuất nào mà sản phẩm được sinh ra nhờ nuôi cấy vi sinh vật.
Việc sản xuất bia hoặc các dung môi hữu cơ được xem như là quá trình lên men
theo cả nghĩa về sinh hoá học và vi sinh vật học. Trong tài liệu này, thuật ngữ lên
men được sử dụng theo nghĩa rộng bao hàm cả hai.
Cần phân biệt các khái niệm:
Thuật ngữ lên men mở rộng bao gồm cả ba khái niệm trên.
Chất cho điện tử Chất nhận điện tử cuối cùng
Lên men (sinh hoá) Chất hữu cơ Hợp chất hữu cơ
Hô hấp hiếu khí Chất hữu cơ Oxygen
Hô hấp kỵ khí Chất hữu cơ Hợp chất vô cơ (nitrate, sulphate)

5. 4
2. Ứng dụng của các quá trình lên men
2.1. Sản xuất sinh khối vi sinh vật
Công nghiệp sản xuất sinh khối vi sinh vật có thể được chia thành hai qui trình
chính. (1) sản xuất nấm men dùng trong công nghiệp bánh mì, (2) sản xuất tế bào
vi sinh vật dùng trong thực phẩm cho con người và cho động vật (protein đơn
bào). Nấm men bánh mì được sản xuất theo qui mô công nghiệp từ những năm
1900 và nấm men được sản xuất dùng làm thực phẩm cho con người ở Đức trong
Đại thế chiến thứ I. Tuy nhiên mãi đến những năm 1960 thì sản xuất sinh khối vi
sinh vật mới được khai thác mạnh mẽ. Và do vậy từ những năm 1970, các qui
trình sản xuất liên tục theo qui mô lớn đã được thiết lập và đưa vào sản xuất sinh
khối vi sinh vật phục vụ cho chăn nuôi và thực phẩm cho con người.
2.2. Sản xuất enzyme vi sinh vật
Enzyme thương mại được sản xuất từ thực vật, động vật và vi sinh vật. Tuy
nhiên, enzyme vi sinh vật có nhiều ưu thế vượt trội hơn do có thể sản xuất với
lượng rất lớn bằng kỹ thuật lên men. Bên cạnh đó, nhờ sự tiến bộ của kỹ thuật
DNA tái tổ hợp nên có thể sản xuất các enzyme có nguồn gốc động vật bằng các
chủng vi sinh vật. Các enzyme này được dùng chủ yếu trong công nghiệp thực
phẩm và các ngành công nghiệp có liên quan khác (Bảng 1. 1). Quá trình nuôi cấy
vi sinh vật để sản xuất enzymes được kiểm soát rất chặt chẽ. Ngày nay, người ta
sử dụng một số kỹ thuật sinh học phân tử để tăng cường năng suất sản xuất của
các chủng như tăng cường chất cảm ứng, đột biến genes, hay kỹ thuật tái tổ hợp
gene.
2.3. Sản xuất các chất trao đổi vi sinh vật
Cùng với các giai đoạn tăng trưởng, sự thay đổi trong quá trình nuôi cấy một
chủng vi sinh vật có thể được mô tả thông qua sản phẩm mà chúng sinh ra trong
các phase khác nhau của đường cong tăng trưởng. Ở log phase, sản phẩm được
sinh ra chủ yếu là phục vụ cho tăng trưởng của tế bào, bao gồm các amino acids,
nucleotides, lipids, carbohydrates… Những sản phẩm này được xem là sản phẩm
sơ cấp của sự biến dưỡng, và phase này được gọi là trophophase.
Rất nhiều sản phẩm sơ cấp có giá trị kinh tế cao và ngày nay được sản xuất
bằng phương pháp lên men (Bảng 1. 2).
Sự tổng hợp các chất trao đổi sơ cấp của các chủng vi sinh vật hoang dại chỉ
đủ cho nhu cầu trong tế bào của chúng. Do vậy nhiệm vụ của các nhà vi sinh vật
học công nghiệp là phải làm sao cải biến các chủng này và cung cấp các điều kiện
nuôi cấy cần thiết để cải thiện năng suất sinh tổng hợp các chất này.
Trong phase ổn định, một số chủng tổng hợp ra các hợp chất mà chúng
không tổng hợp được trong log phase, các chất này không có vai trò rõ ràng đối

6. 5
với quá trình biến dưỡng của tế bào và chúng được xem là chất trao đổi thứ cấp,
và phase này gọi là idiophase. Vi sinh vật tăng trưởng trong môi trường tự nhiên
ở tốc độ thấp, điều này khiến người ta cho rằng, trong tự nhiên thì idophase
chiếm ưu thế hơn trophophase. Không phải toàn bộ vi sinh vật đều có biến dưỡng
thứ cấp, ví dụ như đối với trường hợp của vi khuẩn Enterobacteriaceae thì không
tìm thấy có sản phẩm thứ cấp. Đôi khi rất khó để phân biệt một sản phẩm là sơ
cấp hay thứ cấp và động học sinh tổng hợp của những hợp chất nhất định có thể
thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện nuôi cấy.
Vai trò sinh lý của biến dưỡng thứ cấp trong các tế bào vi sinh vật được
tranh luận nhiều, nhưng người ta quan tâm đến vai trò quan trọng của các chất
trao đổi trung gian nhiều hơn. Có rất nhiều chất trao đổi thứ cấp có hoạt tính
kháng khuẩn, là các enzyme ức chế, một số chất thúc đẩy tăng trưởng và rất nhiều
chất có dược tính. Do vậy, sản phẩm của biến dưỡng thứ cấp đã hình thành nên cơ
sở của nhiều qui trình lên men khác nhau. Cũng giống như trường hợp đối với các
chất trao đổi sơ cấp, các chủng vi sinh vật hoang dại có khuynh hướng tổng hợp
các chất trao đổi thứ cấp với nồng độ thấp và sự tổng hợp này được kiểm soát bởi
sự cảm ứng, sự ức chế dị hóa và hệ thống phản hồi.
2.4. Sản xuất các sản phẩm tái tổ hợp
Sự phát triển của công nghệ DNA tái tổ hợp đã mở rộng tiềm năng ứng dụng
của công nghệ lên men, tạo ra các sản phẩm lên men khác nhau, phục vụ cho cuộc
sống của con người. Các genes của các sinh vật bậc cao có thể sẽ được đưa vào tế
bào vi sinh vật và các chủng này có khả năng tổng hợp ra các protein ngoại. Có
nhiều chủng vi sinh vật khác nhau được dùng làm tế bào chủ cho những hệ thống
biểu hiện bao gồm E.coli, Sac. cerevisiae và các nấm sợi. Các sản phẩm được sinh
ra từ các chủng được biến đổi di truyền gồm: interferon, insulin, albumin của
huyết thanh người, các nhân tố tăng trưởng biểu bì, chymosin của bê, và
somatostatin của bò. Khi thiết kế các hệ thống biểu hiện các sản phẩm tái tổ hợp
cần chú ý đến một số vấn đề: sự tiết của sản phẩm, giảm thiểu sự phân hủy sản
phẩm và sự kiểm soát sinh tổng hợp trong toàn bộ tiến trình lên men, cũng như
tối ưu hóa biểu hiện của gene ngoại.

7. 6
Bảng 1. 1. Các ứng dụng của enzyme trong thương mại.
Công nghiệp Ứng dụng Enzyme Nguồn gốc
Công nghiệp bánh mì
và xay bột
Công nghiệp bia
Công nghiệp ngũ cốc
Trong chế biến socola
Coffee
Trong xay café
Siro bắp
Chế biến sữa
Trong chiên-xào
Nước ép trái cây
Giặt ủi
Thuộc da
Thịt
Giảm độ nhớt trong quá trình nhào bột, tăng cường độ mềm
mại, và duy trì độ tươi của bột
Cải thiện cấu trúc, giảm thời gian trộn, tăng thể tích của ổ
bánh mì
Tăng cường độ nghiền nhừ
Chống lại ảnh hưởng của khí lạnh
Cải thiện độ lọc tinh
Xử lý các thực phẩm ăn nhanh
Sản xuất các dịch si-rô
Lên men hạt cà-fé
Làm chế phẩm cà-fé cô đặc
Sản xuất các lọai bánh kẹo
Sản xuất các lọai siro có hàm lượng maltose cao
Sản xuất các loại siro có chỉ số DE thấp
Sản xuất glucose từ siro bắp
Sản xuất siro fructose
Sản xuất dịch thủy phân protein
On định sửa bay hơi
Sản xuất sữa đặc, kem, và các thức ăn tráng miệng dạng
động lạnh
Sản xuất sữa thô
Tách lọai glucose
Làm trong các loại dịch
Loại oxygen
Sử dụng làm chất tẩy
Chống mọc lông
Làm mềm mại
Amylase
Protease
Amylase
Protease
b-glucanase
Amylase
Pectinase
Pectinase
Pectinase, hemicellulase
Invertase, pectinase
Amylase
Amylase
Amyloglycosidase
Glucoseisomerase
Protease
Protease
Lactase
Protease
Glucose oxidase
Pectinase
Glucose oxidase
Protease, lipase
Protease
Protease
Nấm
Nấm/vi khuẩn
Nấm/vi khuẩn
Nấm/vi khuẩn
Nấm/vi khuẩn
Nấm
Nấm/vi khuẩn
Nấm
Nấm
Nấm/vi khuẩn
Nấm
Vi khuẩn
Nấm
Vi khuẩn
Nấm/vi khuẩn
Nấm
Nấm men
Nấm/vi khuẩn
Nấm
Nấm
Nấm
Vi khuẩn
Nấm/vi khuẩn
Nấm

8. 7
Trong y dược
Tráng ảnh
Dịch thủy phân protein
Chế biến thức uống
Công nghiệp dệt
Rau quả
Hổ trợ tiêu hóa
Chống đông máu
Trong các thử nghiệm lâm sàng
Thu hồi bạc từ film đã sử dụng
Trong sản xuất dịch thủy phân
Tạo sự ổn định
Chống sự xắp xếp theo kích thước của các sợi
Các chế phẩm dạng soup hoặc nghiền nhừ
Amylase, protease
Steptokinase
Numerous
Protease
Proteases
Glucose oxidase, catalase
Amylase
Pectinase, amylase,
cellulase
Nấm
Vi khuẩn
Nấm/vi khuẩn
Vi khuẩn
Nấm/vi khuẩn
Nấm
Vi khuẩn
Nấm
Bảng 1. 2. Các sản phẩm sơ cấp của biến dưỡng vi sinh vật và ứng dụng trong thương mại
Chất trao đổi sơ cấp Ý nghĩa thương mại
Ethanol
Citric acid
Glutamic acid
Lysine
Nucleotides
Phenylalanine
Polysaccharides
Vitamins
Thành phần hoạt tính trong các thức uống có cồn, sử dụng làm nhiên liệu thay thế xăng dầu.
Có nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm
Chất tăng vị
Chất hổ trợ thực phẩm
Chất tăng vị
Chất tiền thân của aspartame, chất gây ngọt
Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, tăng cường khả năng thu hồi dầu béo
Chất hổ trợ thực phẩm

9. 8
2.5. Hỗ trợ các quá trình biến nạp
Các tế bào vi sinh vật có thể được sử dụng để chuyển một hợp chất vào một
cấu trúc liên quan có giá trị hơn vì chúng có tác dụng như các chất xúc tác với tính
đặc trưng vị trí và lập thể cao. Các quá trình vi sinh vật đặc trưng hơn các quá trình
hóa học và cho phép có thể thêm, loại bỏ hoặc thay đổi từng nhóm chức năng ở
những vị trí đặc trưng nhất định trên các phân tử phức tạp mà không cần dùng đến
các hoá chất. Các phản ứng được xúc tác bởi enzyme bao gồm phản ứng khử
hydrogen, phản ứng oxy hoá, phản ứng hydroxyl hoá, phản ứng khử nước, phản ứng
khử carboxyl, amin hoá, khử amin, phản ứng chuyển vị. Các quá trình chuyển hóa
nhờ vi sinh vật còn có thêm một thuận lợi nữa là thực hiện ở nhiệt độ và áp suất
phản ứng thấp, không đòi hỏi các chất xúc tác như các kim loại nặng.
3. Quá trình phát triển của công nghiệp lên men
Quá trình phát triển của công nghiệp lên men diễn ra qua năm giai đoạn được mô
tả trong Bảng 1. 3. Quá trình phát triển ngành công nghiệp lên men trước giai đoạn
1900 được mô tả là giai đoạn 1, các sản phẩm trong giai đoạn này chỉ đơn thuần giới
hạn ở dạng alcolhol uống được, hoặc dấm ăn.
Bảng 1. 3. Quá trình phát triển của ngành công nghiệp lên men.

10. 9
Giai
đoạn
Sản
phẩm
chính
Loại
bồn
Kiểm
soát
quá
trình
Phương
pháp
nuôi
cấy
Kiểm
soát
chất
lượng
Các
thiết
bị
pilot
Chọn
lọc
giống
Alcohol
-
Bằng
gỗ,
đạt
đến
1500
barrels
-
Bằng
đồng
thau
Sử
dụng
thiết
bị
đo
nhiệt
độ,
báo
mực,
trao
đổi
nhiệt
Dạng
mẻ
Hầu
như
không
kiểm
soát
Không
có
Nấm
men
thuần
nhất
sử
dụng
ở
Carlberg
(1886)
Dấm
Bằng
các
thùng
phuy,
khay
hay
trong
các
lớp
lọc
chảy
dòng
Dạng
mẻ
Hầu
như
không
kiểm
soát
Không
có
Chọn
lọc
chủng
lên
men
dấm
tốt
2.
1900-1940
Nấm
men
bánh
mì,
glycerol,
citric
acid,
lactic
acid,
acetone/butanol
Bồn
bằng
kim
loại
200m
3
cho
sản
xuất
acetone/butanol
Sử
dụng
hệ
thống
phân
phối
Khuấy
trộn
được
sử
dụng
trong
trường
hợp
bồn
lên
men
có
kích
thước
nhỏ.
Sử
dụng
đầu
dò
pH,
đầu
dò
kiểm
soát
nhiệt
độ
Dạng
mẻ
và
hệ
thống
fed-
batch
Hầu
như
không
kiểm
soát
Hầu
như
không
có
Sử
dụng
giống
thuần
nhất
3.
1940
đến
nay
Pennicillin,
Streptomicin
các
kháng
sinh
khác
gibberelin,
amino
acid,
nucleotides,
các
chất
chuyển
hoá,
enzyme
Các
bồn
lên
men
có
trang
bị
hệ
thống
sục
khí,
vận
hành
trong
điều
kiện
vô
trùng-
đúng
nghĩa
bồn
lên
men
Sử
dụng
đầu
dò
pH,
DO
có
thể
thanh
trùng
được.
Sử
dụng
các
thiết
bị
kiểm
soát
mà
sau
này
có
thể
kiểm
soát
trên
máy
tính
-
Thông
thường
là
dạng
mẻ
và
fed-batch.
-
Phát
triển
nuôi
cấy
liên
tục
cho
lên
men
bia
và
một
vài
chất
trao
đổi
sơ
cấp
Rất
quan
trọng
Trở
nên
thông
dụng
Sử
dụng
các
chương
trìnhđột
biến
và
chọn
lọc
cơ
bản
4.
1964-
nay
Sinh
khối
đơn
bào,
protein,
hydrocarbon,
các
chất
phục
vụ
chăn
nuôi
Các
bồn
lên
men
chịu
áp
lực,
được
thiết
kế
để
giải
quyết
vấn
đề
trao
đổi
khí,
nhiệt
độ
Sử
dụng
máy
tính
kiểm
soát
các
thông
số
vận
hành
Nuôi
cấy
liên
tục
với
việc
hồi
lưu
môi
trường
nuôi
cấy
Rất
quan
trọng
Rất
quan
trọng
Sử
dụng
kỹ
thuật
di
truyền
5.
1979-
nay
Sản
xuất
các
protein
khác
dòng
(heterologous)
bởi
vi
sinh
vật
và
tế
bào
động
vật,
Sản
xuất
kháng
thể
đơn
dòng
bởi
tế
bào
động
vật
Sử
dụng
nồi
lên
men
được
phát
triển
trong
giai
đoạn
3,
4.
Và
phát
triển
thêm
nồi
nuôi
cấy
tế
bào
động
vật
Phát
triển
các
điều
kiện
kiểm
soát
và
đầu
dò
như
trong
giai
đoạn
3,
4
Dạng
mẻ,
fed-batch,
hoặc
liên
tục.
Phát
triển
nuôi
cấy
liên
tục
dạng
chảy
tràn
để
nuôi
cấy
tế
bào
động
vật
Rất
quan
trọng
Rất
quan
trọng
Sử
dụng
kỹ
thuật
tái
tổ
hợp
1.
Trước
1900

11. 10
CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT
TRONG QUÁ TRÌNH LÊN MEN
1. Phân loại phương pháp lên men
Tuỳ theo đặc điểm mà việc phân loại lên men có khác nhau
1. Theo tính chất môi trường: lỏng; rắn; bán rắn
2. Theo đặc tính sử dụng oxygen của chủng vi sinh vật: lên men hiếu khí; lên
men kỵ khí
3. Theo trạng thái: trạng thái tĩnh (không khuấy trộn/sục khí); trạng thái
động (có khuấy trộn/sục khí)
4. Theo mức độ kiểm soát của qui trình: có kiểm soát (độ tạp nhiễm, cơ chất,
pH,…); không kiểm soát (tự nhiên)
5. Theo qui trình lên men: lên men theo mẻ (batch); lên men theo dạng liên
tục (continuous); lên men theo dạng bán liên tục (fed-batch, dạng mẻ-bổ
sung)
Nhằm đánh giá diễn tiến cụ thể của một chu kỳ lên men, phương pháp lên
men theo mẽ được chọn làm kiểu mẫu để đánh giá, trên cơ sở đó sẽ mở rộng đánh
giá đối với các phương pháp lên men còn lại.
2. Phương pháp lên men mẻ
Đây là một hệ thống nuôi cấy khép kín, giới hạn về dinh dưỡng, nghĩa là cơ
chất dinh dưỡng không được bổ sung trong suốt quá trình lên men, trải qua bốn
phase khác nhau.
Trong giai đoạn đầu (lag phase, (a)) của quá trình nuôi cấy, hầu như không có
sự tăng trưởng đáng kể nào xảy ra, chủ yếu là giai đoạn thích nghi của tế bào trong
môi trường mới. Trong thực tế sản xuất cần phải rút ngắn thời gian của phase này
càng nhiều càng tốt để đưa hệ thống lên men nhanh chóng bước vào giai đoạn tăng
trưởng và sinh tổng hợp sản phẩm quan tâm. Tiếp theo, vi sinh vật dần dần thích
nghi, tăng trưởng nhanh dần và đạt đến tốc độ tối đa - log phase (b).
Sự tăng trưởng trong phase này có thể được biểu diễn theo phương trình toán
học sau:
dx/dt = µx (2.1)
Trong đó x sinh khối vi sinh tại thời điểm nuôi cấy được t giờ, µ là tốc
độ tăng trưởng đặc trưng (hr-1), tốc độ này khác nhau tùy theo các giai đoạn trong
chu kỳ tăng trưởng.

12. 11
Moâi tröôøng
Xo, So
X, Sr
Hình 2. 1. Hệ thống lên men theo phương pháp mẻ.
Từ phương trình trên ta có:
dx/x = µdt
 ∫ ∫
=
t
to
t
to
dt
x
dx µ
/
 (ln xt - ln x0) = µ (t - t0) (2.2)
x0: lượng sinh khối ban đầu, xt: lượng sinh khối sau thời gian nuôi cấy t (giờ).
Hình 1. 1. Sơ đồ động học tăng trưởng của vi sinh vật khi nuôi cấy dạng mẻ. (a) lag-
phase, (b) log- phase, (c) phase ổn định, (d) phase suy vong.
Trong log- phase, giàu dinh dưỡng, µ sẽ đạt µmax. Mỗi chủng vi sinh vật trong
những điều kiện tối thích nhất định sẽ có µmax khác nhau. Tốc độ tăng trưởng phụ
thuộc rất lớn vào nguồn dinh dưỡng của môi trường nuôi cấy và thành phần các sản
phẩm do chính hoạt động của vi sinh vật tạo ra trong môi trường. Nếu duy trì việc bổ
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Thôøi gian nuoâi caáy (giôø)
Ln(noà
n
g
ñoä
teá
baø
o
)
(a) (b) (c) (d)

13. 12
sung dinh dưỡng vào môi trường nuôi cấy thì tăng trưởng sẽ vẫn đạt được ở tốc độ
cao.
Bảng 2. 1. Một số giá trị µmax của một số chủng vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy đặc
trưng.
Sự tăng số lượng tế bào diễn ra trong log phase theo cấp số nhân với cơ số 2
theo phương trình:
N = N0 × 2n (2.3)
trong đó, N0 và N là số lượng tế bào ban đầu và tại thời điểm khảo sát, n là số thế hệ.
 lg(N/N0) = n.lg2
 n = 3,32 × lg(N/N0) (2.4)
Thời gian thế hệ tg
tg = t/n (2.5)
với t là thời gian mà vi sinh vật nhân đôi qua n thế hệ.
Đối với vi khuẩn tg thường khoảng 20-60 phút, đối với nấm men tg thường
khoảng 1-3 giờ.
Hằng số tốc độ phân chia k là số lần phân chia sau 1 giờ nuôi cấy
k = 1/g = n/t(2.6)
Trong giai đoạn ổn định (stationary phase, c), lượng sinh khối tạo thành có
thể mô tả bằng phương trình:
x = Y×(si - sr) (2.7)
trong đó, x là hàm lượng sinh khối, Y là hiệu suất tổng hợp sinh khối, si là hàm lượng
cơ chất ban đầu, sr là hàm lượng cơ chất còn lại. Tăng trưởng của vi sinh vật sẽ dừng
lại khi sr = 0 hoặc khi mà trong môi trường có sự tích lũy các chất có thể gây độc hại
cho chủng. Giá trị Y nhằm giúp đánh giá hiệu suất chuyển đổi một cơ chất thành sinh
Chủng vi sinh vật µmax (giờ-1
) Nguồn tham khảo
Vibrio natriegents 4,24 Eagon (1961)
Methylomonas methanolytica 0,53 Dostalek et al (1972)
Aspergillus nidulans 0,36 Trinci (1969)
Penicilium chrysogenum 0,12 Trinci (1969)
Fusarium graminearum Schwabe 0,28 Trinci (1992)
Nuôi cấy tế bào thực vật 0,01-0,046 Petersen & Alfermann (1993)
Nuôi cấy tế bào động vật 0,01-0,05 Lavery (1990)

14. 13
khối vi sinh vật. Do vậy có thể dùng Y để tính toán lượng cần thiết của một cơ chất
khi muốn tổng hợp một lượng sinh khối nhất định. Hiệu suất Y không phải là một
hằng số ổn định mà thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, độ pH,
hàm lượng oxygen hoà tan, sự giới hạn của các cơ chất,... Sự suy giảm tăng trưởng
phụ thuộc vào cơ chất giới hạn khi cạn kiệt trong môi trường có thể được mô tả theo
phương trình (theo Monod, 1942):
µ = µmax× sr/(Ks + sr) (2.8)
Trong đó Ks là hằng số sử dụng cơ chất, Hình 2. 2. Đối với một cơ chất nhất
định thì mỗi chủng vi sinh vật có Ks khác nhau (Bảng 2. 2).
Khi sr = Ks thì µ = 1/2µmax. Khi µ = 0, bước vào giai đoạn phase ổn định. Đây là
giai đoạn chính của việc sản xuất các chất trao đổi.
Bảng 2. 2. Một số giá trị Ks của một số chủng vi sinh vật thông thường.
Hình 2. 2. Sơ đồ biểu thị trị số Ks.
Sự thay đổi hàm lượng các chất trao đổi có thể biểu diễn:
dp/dt = ρx (2.9)
trong đó, p là nồng độ sản phẩm, ρ là tốc độ sinh tổng hợp đặc trưng. Mặt khác, sự
tạo thành sản phẩm tùy thuộc vào hoạt tính của chủng (hiệu suất trên một đơn vị tế
bào):
dp/dx = Yp/x (2.10)
với Yp/x là hiệu suất tạo sản phẩm trên một đơn vị sinh khối (năng suất sản xuất).
Chủng vi sinh vật Cơ chất Ks (mg/dm3
) Tham khảo
E.coli Glucose 6,8.10-2
Shehata and Marr (1971)
Sac. cerevisiae Glucose 25,0 Pirt and Kurowski (1970)
Pseudomonas sp. Methanol 0,7 Harison (1973)
si
Ks
sr
Noà
n
g
ñoä
cô
chaá
t
giôù
i
haï
n
Thôøi gian nuoâi caáy

15. 14
Từ hai phương trình trên ta có:
dx/dt = ρx/Yp/x
mà dx/dt = µx
Do vậy ta có: ρ = µ × Yp/x (2.11)
Như vậy tốc độ sản xuất đặc trưng phụ thuộc vào µ, và đạt giá trị cao nhất khi µ =
µmax.
3. Phương pháp lên men liên tục
Khác với các giai đoạn trong nuôi cấy theo mẻ (gồm 4 pha riêng biệt lag phase,
log phase, phase ổn định và phase suy vong), đối với nuôi cấy liên tục, log phase
được duy trì bằng cách bổ sung nguyên liệu vào nồi lên men và quá trình này được
lặp đi lặp lại cho đến khi nồi lên men đầy. Trong nhiều trường hợp, người ta lắp đặt
thêm hệ thống thông lưu nhằm giữ mực (thể tích) của dịch lên men trong nồi luôn ở
mức độ ổn định cao nhất, và khi đó tốc độ nạp liệu và tốc độ chiết dịch được cân
bằng, nồng độ tế bào trong nồi lên men phụ thuộc vào tốc độ nạp liệu.
Ta có:
D = F/V (2.12)
Trong đó, F: tốc độ nạp liệu (KL/hr), V là thể tích dịch lên men trong nồi (KL), D là độ
pha loãng (giờ-1).
Sự thay đổi mật độ tế bào trong dịch lên men có thể biểu diễn:
dx/dt = growth – output
dx/dt = µx – Dx (2.13)
Trong điều kiện ổn định, nồng độ tế bào trong dịch không đổi, dx/dt = 0.
Lúc đó: µ = D (2.14)
Tốc độ tăng trưởng đặc trưng phụ thuộc vào độ pha loãng và như vậy trong
nuôi cấy liên tục thì µ ≤ µmax.
Trong một số trường hợp, người ta dùng D để kiểm soát µ. Tăng trưởng của vi
sinh vật trong nuôi cấy liên tục được điều khiển bởi các chất trong thành phần của
môi trường nuôi cấy. Lên men theo cách này còn được gọi là chemostat. Theo Monod
ta có:
µ = µmax. s /(Ks + s ) (2.15)
Ở trạng thái cân bằng, D = µ, nên D = µmax. s r/(Ks + s r), s r: nồng độ cơ chất ở
trạng thái cân bằng.
 s = Ks × D/(µmax - D) (2.16)
Như vậy, nồng độ cơ chất còn lại phụ thuộc vào độ pha loãng. Trong thực tế,
điều này xảy ra do sự tăng trưởng của tế bào làm cạn kiệt nguồn dinh dưỡng khi mà

16. 15
nguồn cung cấp cho tăng trưởng ngang bằng với độ pha loãng. Nếu tốc độ sử dụng
cơ chất của vi sinh vật nhỏ hơn tốc độ nạp liệu cho sự tăng trưởng tế bào thì một số
đặc điểm sau sẽ xảy ra: Tốc độ tăng trưởng của tế bào nhỏ hơn tốc độ pha loãng, và
do vậy tế bào sẽ bị chiết ra khỏi nồi lên men với tốc độ cao hơn tốc độ mà chúng
được sinh ra. Điều này gây nên suy giảm mật độ tế bào trong nồi lên men. Nồng độ
cơ chất trong nồi lên men sẽ tăng dần vì trong nồi lên men còn ít tế bào hơn để sử
dụng. Khi nồng độ cơ chất cao hơn, tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật tăng lên và cao
hơn tốc độ pha loãng và khi đó, sinh khối tăng dần lên và trong trường hợp này thì
trạng thái ổn định mới được thiết lập.
Moâi tröôøng
x, So, F
x, Sr, F
Theå tích
dòch, V
Moâi tröôøng
x, So, F
x, Sr, F
(A) (B)
Moâi tröôøng
x, So, F
Theå tích
dòch, V
x, Sr, F
S, F
(C)
Hình 2. 3: Sơ đồ hệ thống lên men liên tục.
(A): Hệ thống lên men liên tục đơn tầng, không hồi lưu sinh khối;

17. 16
(B): Hệ thống lên men liên tục đơn tầng, hồi lưu sinh khối;
(C): Hệ thống lên men liên tục đa tầng.
Do vậy, người ta còn gọi chemostat là hệ thống nuôi cấy tự cân bằng theo giới
hạn dinh dưỡng, và có thể duy trì trong một giới hạn rộng của tốc độ tăng trưởng
đặc trưng phụ (sub- µmax).
Nồng độ tế bào trong nuôi cấy liên tục ở giai đoạn cân bằng ( x ) có thể được
biểu diễn:
x = Y × (si + sf - sr) (2.17)
Phương trình tạo sản phẩm:
Sự thay đổi nồng độ sản phẩm = (tổng sản phẩm – lượng sản phẩm đã chiết);
 dp/dt = ρ.x – D.p (2.18)
Ở giai đoạn ổn định, dp/dt = 0. Khi đó:
 p = ρ × x /D (2.19)
trong đó p là nồng độ sản phẩm ở giai đoạn ổn định. Trong nuôi cấy liên tục, người
ta còn chia ra nhiều kiểu nuôi cấy khác nhau:
1. Nuôi cấy dạng đa hệ thống: Dịch chiết ra từ hệ thống lên men này được đưa
ngay vào một hệ thống lên men khác. Ưu điểm của phương pháp này là có thể thay
đổi được nguồn nguyên liệu ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình lên men.
2. Phương pháp hồi lưu tế bào vi khuẩn trong quá trình lên men: Dịch chiết ra
trong quá trình lên men ngoài sản phẩm còn chứa một lượng rất lớn tế bào vi khuẩn.
Nếu lượng tế bào này được thu hồi và tái bổ sung vào hệ thống lên men thì sẽ tăng
cường được sản lượng của hệ thống. Có thể dùng phương pháp lọc hay ly tâm tách tế
bào rồi cho hồi lưu vào hệ thống. Tuy nhiên, rất khó thực hiện việc hồi lưu toàn bộ tế
bào theo dịch chiết và vấn đề chống tạp nhiễm đối với hệ thống theo kiểu này cũng là
một trở ngại lớn.
4. Phương pháp lên men mẻ-bổ sung (fed-batch)
Lên men mẻ-bổ sung là phương pháp nuôi cấy mà nguyên liệu được bổ sung
vào nồi lên men liên tục hoặc gián đoạn, dịch lên men có thể được chiết ra trong quá
trình nuôi cấy. Ban đầu nuôi cấy theo mẻ, sau đó nguyên liệu được nạp vào nồi lên
men. Các cơ chất khi được bổ sung vào môi trường đang nuôi cấy có thể là (1) giống
như thành phần môi trường ban đầu hoặc chỉ một số cơ chất giới hạn. Đối với cơ
chất giới hạn khi bổ sung vào có thể (2) nồng độ tương đương với môi trường ban
đầu, hoặc (3) cao hơn hoặc (4) rất đậm đặc. Hệ thống mẻ-bổ sung theo cách (1), (2)

18. 17
gọi là mẻ-bổ sung thay đổi thể tích; theo cách (3), (4) gọi là hệ thống mẻ-bổ sung cố
định thể tích.
4.1. Lên men mẻ-bổ sung thay đổi thể tích
Động học của hệ thống này được mô tả lần đầu bởi Pirt (1975), được xem như
hệ thống nuôi cấy mẻ nhưng bị giới hạn bởi nồng độ của một cơ chất. Sinh khối tại
bất kỳ thời điểm nào trong quá trình nuôi cấy được trình bày theo phương trình:
xt = xo + Y(si - sr) (2.20)
trong đó xo là nồng độ giống nạp vào hệ thống.
Khi sr = 0 và xt = xmax; do x0 << xmax
 xmax = Y × si (2.21)
Nếu tại thời điểm sr = 0, môi trường được bổ sung vào với D < µmax thì toàn bộ
môi trường vừa mới được bổ sung sẽ được sử dụng ngay (ds/dt = 0), và ta có:
F.si = µ × (X/Y) (2.22) với X = x × V.
F
Vo, xo, So
(A)
Vfeed
F
xt, Sr
(B)
Hình 2. 4. Sơ đồ tệ thống lên men mẻ-bổ sung.
(A): Lên men mẻ-bổ sung giới hạn thể tích
(B): Lên men mẻ-bổ sung không giới hạn thể tích
Theo cách này, tổng sinh khối sẽ tăng dần trong khi đó nồng độ tế bào hầu
như không tăng (dx/dt = 0), do vậy µ = D. Đây được xem như là trạng thái cân bằng.
Khi thể tích dịch lên men trong nồi tăng, tỷ lệ pha loãng giảm xuống, và như vậy:
D = F/(V0 + F × t) (2.23)

19. 18
Theo phương trình Monod, Khi sr giảm thì D sẽ giảm, do vậy sẽ x tăng lên. Tuy
nhiên trong hệ thống nuôi cấy mẻ-bổ sung thì ở bất kỳ giá trị nào của µ thì si >> Ks
nên trong thực tế sr thay đổi rất nhỏ. Do vậy, ở trạng thái được coi như là cân bằng
ổn định thì D < µmax và Ks << si.
Sự thay đổi nồng độ sản phẩm trong hệ thống này tương tự như trong nuôi
cấy liên tục được biểu diễn theo cân bằng:
dp/dt = ρx – D.p (2.24)
Ở trạng thái cân bằng tức là lượng sản phẩm sinh ra cân bằng với độ pha
loãng do nạp dịch bổ sung vào thì nồng độ sản phẩm trong hệ thống sẽ không thay
đổi, dp/dt = 0, khi đó:
p = ρ.x/D (2.25)
4.2. Lên men mẻ-bổ sung không thay đổi thể tích
Theo Pirt (1979), cơ sở của hệ thống này được xem như trong trường hợp
nuôi cấy mẻ trong đó do sự tăng trưởng của chủng đã gây nên sự cạn kiệt cơ chất
giới hạn đạt đến một mức nhất định. Sau đó cơ chất này được bổ sung với nồng độ
cao, không làm thay đổi đến thể tích dịch lên men. Động học trong hệ thống này
được mô tả như sau:
dx/dt = G.Y (2.26)
trong đó G là tốc độ nạp cơ chất.
Do dx/dt = µx, nên:
G.Y = µx
 µ = G.Y/x (2.27)
Nếu GY/x < µmax thì khi bổ sung cơ chất vào chúng sẽ được sử dụng ngay, lúc
đó ds/dt = 0. Tuy nhiên do dx/dt > 0 vì x và X tăng theo thời gian nên:
xt = x0 + G.Y.t (2.28)
Trong đó x0, xt là nồng độ tế bào khi bắt đầu và sau khi vận hành hệ thống mẻ-bổ
sung được t giờ nuôi cấy.
Khi x tăng lên, µ giảm dần. Nồng độ của cơ chất giới hạn hầu như không thay
đổi, sinh khối tăng dần và nồng độ các chất không giới hạn trong môi trường giảm
dần.
Sự cân bằng sản phẩm trong hệ thống này được biểu diễn như sau:
dp/dt = ρ.xt (2.29)
dp/dt = ρ.(x0 + G.Y.t) (2.30)

20. 19
5. Lên men mật độ cao
Như đã đề cập trong phương pháp lên men mẻ, tổng lượng sinh khối sinh ra
trong quá trình lên men là từ nguồn dinh dưỡng nhất định trong môi trường chuẩn
bị ban đầu. Nồng độ các thành phần môi trường được thiết kế để bảo đảm tốc độ
tăng trưởng là tốt nhất. Do vậy, để tăng mật độ tế bào cần phải bổ sung dinh dưỡng
trong quá trình nuôi cấy và như vậy, lên men mật độ cao chỉ có thể đạt được trong
trường hợp nuôi cấy mẻ-bổ sung và thành phần bổ sung vào phải có nồng độ cao để
thể tích dịch lên men hoặc không thay đổi hoặc thay đổi ít.
Trong lên men sản xuất công nghiệp, cho dù sản phẩm sinh ra là nội bào hay
ngoại bào, với một điều kiện thích hợp thì chủng nuôi cấy sẽ có một giá trị về tốc độ
sản xuất đặc trưng (ρ) nhất định:
ρ = (P/X)/t (2.31)
 P = ρ.X.t (2.32)
trong đó P là tổng lượng sản phẩm thu được sau thời gian nuôi cấy t, X là tổng lượng
sinh khối tham gia sản xuất. Từ phương trình trên ta thấy, để thu được P nhiều, cần
phải tăng X.
X = x.V (2.32)
với V là thể tích dịch lên men, x là nồng độ tế bào trong dịch lên men. Do thể tích
dịch lên men bị giới hạn bởi dung tích nồi lên men nên để đạt X cao cần phải tăng
nồng độ tế bào x trong quá trình lên men.
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để tăng nồng độ tế bào và nồng độ tế bào này có
thể tăng được tới mức nào? Chúng ta sẽ đề cập vấn đề này trong những chuyên đề
sau.

21. 20
CHƯƠNG 3. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ LÊN MEN CÔNG NGHIỆP
1. Giới thiệu
Trong phần này, chúng ta tập trung phân tích qui trình lên men công nghiệp
theo phương pháp chìm, hiếu khí, có kiểm soát vì đây là qui trình bao gồm đầy đủ
các thành tố của một qui trình lên men tiêu chuẩn. Qui trình này thường bao gồm các
công đoạn sau:
- Giữ giống
- Hoạt hóa giống
- Nhân giống (sơ cấp, thứ cấp)
- Lên men sản xuất
- Thu hồi sản phẩm lên men
- Xử lý các chất thải sinh ra trong quá trình sản xuất sản phẩm lên men
Tùy theo chủng vi sinh vật, yêu cầu của sản phẩm mục tiêu và hệ thống công
nghệ thiết bị mà điều kiện của từng bước trong qui trình lên men có thể khác nhau.
Tuy nhiên, để đảm bảo được hiệu quả sản xuất tốt và ổn định nhất thì toàn bộ các
hoạt động có liên quan đến lên men có một đặc điểm chung là cần được thực hiện
trong điều kiện có kiểm soát vô trùng.
Nếu không đề cập đến các yếu tố về kiểu nồi lên men, về cơ bản một hệ thống
lên men bao gồm sáu thành phần sau:
1. Công thức môi trường sử dụng trong qui trình nuôi cấy vi sinh vật từ giai
đoạn nhân giống cho đến giai đoạn lên men sản xuất.
2. Điều kiện vô trùng của môi trường nuôi cấy, nồi lên men và các thiết bị liên
quan trong hệ thống.
3. Bảo đảm nhân giống đủ số lượng với độ thuần nhất và chất lượng cao
trước khi nạp vào nồi lên men chính.
4. Sự tăng trưởng của chủng vi sinh vật trong sản xuất dưới điều kiện tối ưu
để tạo thành các sản phẩm mong muốn.
5. Chiết tách, tinh sạch và kết tinh sản phẩm.
6. Xử lý chất thải của quá trình sản xuất.
Các yếu tố này liên quan chặt chẽ với nhau theo một qui trình được mô tả
trong Hình 3. 2. Từng yếu tố độc lập có thể được nghiên cứu cải tiến phù hợp để cuối
cùng nâng cao hiệu quả sản xuất của toàn hệ thống.
Trước khi tiến hành xây dựng hệ thống lên men cần phải chọn lọc chủng giống
vi sinh vật bảo đảm sinh tổng hợp đúng sản phẩm mong muốn với hàm lượng cao.

22. 21
Việc chọn lọc chủng giống thường được thực hiện bởi các phòng nghiên cứu có năng
lực và kinh nghiệm trong lĩnh vực phát triển chủng giống. Ngoài ra, cần phải thực
hiện đánh giá hiệu quả và tính ổn định của chủng trước khi đưa vào ứng dụng cho
sản xuất. Việc tuyển chọn chủng giống phục vụ sản xuất công nghiệp dựa trên một số
tiêu chí sau:
- Đặc tính dinh dưỡng của chủng (dùng cơ chất thông dụng, rẻ tiền)
- Nhiệt độ tối thích của chủng (chọn chủng có nhiệt độ tối thích cao, giảm chi
phí hệ thống giải nhiệt trong lên men công nghiệp)
- Tính ổn định của chủng trong quá trình sử dụng
- Năng suất sinh tổng hợp sản phẩm cao
Dựa vào loại sản phẩm lên men và các yêu cầu về độ tinh sạch của sản phẩm,
hệ thống thu hồi chiết tách và tinh sạch sản phẩm được thiết kế để bảo đảm hiệu
suất cao, đạt tiêu chuẩn như mong muốn. Trong quá trình vận hành sản xuất, cả ba
yếu tố chính: chủng giống, qui trình lên men, qui trình thu hồi cần phải được nghiên
cứu cải tiến liên tục nhằm thu nhận được nhiều sản phẩm với chất lượng cao.
Chủng giống vi sinh vật được thu thập (phân lập, tuyển chọn) và phân phối từ
các trung tâm lưu trữ giống danh tiếng trên thế giới (Xem phụ lục 4).
2. Các công đoạn của qui trình lên men
2.1. Giữ giống
Việc giữ giống có vai trò rất quan trọng đối với một qui trình lên men nhằm
bảo đảm được nguồn cung cấp giống ổn định cho nghiên cứu và sản xuất.
Quá trình giữ giống cần phải bảo đảm một số yêu cầu sau:
- Duy trì hoạt tính giống trong thời gian dài, không xảy ra hiện tượng thoái
hóa giống, giảm khả năng tăng trưởng hoặc/và giảm năng lực sản xuất của giống.
- Không bị tạp nhiễm
Các phương pháp giữ giống khác nhau trong công nghiệp bao gồm:
a. Giữ giống ở nhiệt độ thấp
a1. Giữ giống trên môi trường thạch nghiêng. Giống vi sinh vật có thể được giữ
trên bề mặt môi trường thạch nghiêng (đối với các chủng hiếu khí) với nhiệt độ giữ
giống từ –20 ~ 50C. Trong quá trình giữ giống, phải cấy chuyền theo chu kỳ khoảng 6
tháng một lần. Phương pháp cấy chuyền tuy đơn giản nhưng lại có những nhược điểm
sau:
+ Dễ bị tạp nhiễm và dễ mất chủng giống gốc.
+ Tốn nhiều công sức cấy chuyền.

23. 22
+ Giống gốc có thể mất do sai sót khi dùng môi trường cấy chuyền không thích
hợp.
+ Chủng vi sinh vật có thể bị thay đổi các đặc điểm sinh học do đột biến phát
sinh qua nhiều lần cấy chuyền.
+ Phải nghiên cứu, theo dõi môi trường và thời gian cấy chuyền thích hợp đối
với các chủng bảo quản.
+ Mất hay nhầm lẫn nhãn hiệu giữa các chủng trong quá trình bảo quản.
Để khắc phục nhược điểm của phương pháp cấy chuyền, giúp giữ giống trong
thời gian dài người ta thường giữ giống trên bề mặt môi trường thạch nghiêng có
phủ một lớp dầu bảo vệ, thời gian giữ giống có thể kéo dài đến 1 năm.
a2. Giữ giống trong nitơ lỏng (đông sâu). Khi giữ giống ở nhiệt độ thấp (-150 ~
-196oC), hoạt động biến dưỡng của vi sinh vật giảm hẳn, hầu hết các phản ứng sinh
hoá đều không xảy ra, các phân tử nước tồn tại ở dạng liên kết hoặc tinh thể. Đây là
phương pháp giữ giống khá an toàn cho nhiều loài vi sinh vật khác nhau như vi
khuẩn, nấm mốc, nấm men, virus, tảo và cả tế bào động vật, thực vật. Tuy nhiên khi
giữ giống bằng phương pháp này thì tế bào có thể bị phá vỡ và làm tan mẫu trong
quá trình bảo quản lạnh do tích luỹ các chất điện giải và hình thành các tinh thể
nước trong tế bào. Thông thường người ta cho chủng vi sinh vật cần giữ phát triển
đến phase ổn định, bổ sung chất bảo vệ (thường là glycerol 10%; DMSO: dimethyl
sulfoxide), sau đó làm lạnh và giữ. Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp này khá tốn
kém cho thiết bị, nguồn nitơ lỏng và một số rủi ro về vấn đề an toàn như cháy nổ.
Hình 3. 1. Hệ thống bình nitơ lỏng dùng để giữ giống.

24. 23
b. Giữ trong điều kiện khử nước
b1. Nuôi cấy khô. Phương pháp này thường được áp dụng đối với bào tử nấm
sợi. Các bước tiến hành bao gồm ủ đất vô trùng với bào tử nấm khoảng vài ngày cho
phát triển, làm khô ở nhiệt độ phòng khoảng 2 tuần, sau đó cất giữ ở điều kiện
không khí khô hoặc tủ lạnh.
b2. Giữ ở điều kiện khử nước trong giá thể
+ Giữ giống trong cát
Phương pháp này thường dùng để giữ các vi sinh vật có bào tử. Các bước tiến
hành như sau:
- Cát sông được đem rửa sạch bằng nước nhiều lần, sấy khô, rây để bỏ các hạt
lớn; xử lý ngâm trong HCl đậm đặc sau đó đem đun sôi 1-2 giờ, rửa nhiều lần cho
đến khi pH đạt trung tính, có thể trung hòa bằng NaOH hoặc NaHCO3 nếu pH còn
thấp; sấy khô 100oC từ 3 - 4 giờ; chia cát khô vào các ống nghiệm và khử trùng trong
tủ sấy 160 - 180oC từ 2-3 giờ hoặc khử trùng trong autoclave 130oC trong 90 phút.
Trước khi sử dụng phải kiểm tra độ vô trùng bằng cách cho môi trường LB vào cát
đã vô trùng, nếu môi trường vẫn trong sau 48 giờ nuôi trong tủ ấm nghĩa là cát
không chứa các vi sinh vật lạ nên có thể dùng; nếu môi trường bị đục thì phải đem
cát khử trùng lại.
- Chuẩn bị bào tử: các chủng vi sinh vật được nuôi trên môi trường agar thích
hợp để tạo nhiều bào tử, thời gian thường đối với một số loài như sau: vi khuẩn 7
ngày, nấm mốc 7-8 ngày, xạ khuẩn 14 ngày.
- Trộn bào tử vào cát: cho 1-2g cát đã vô trùng vào ống giống vi sinh vật đã
hình thành bào tử dùng que cấy trộn đều bào tử với cát, tránh làm cát bị ướt quá vón
cục, cho cát đã có bào tử vào ống nghiệm vô trùng, đậy nút bông và cho vào tủ sấy,
giữ ở 40oC hoặc tủ sấy chân không có chất hút ẩm như CaCl2 trong thời gia 2-3 ngày
cho đến khi cát thật khô, dùng paraffin đặc đun nóng chảy phết lên nút bông để
tránh trường hợp hút ẩm trở lại, bảo quản trong phòng mát, hoặc trong tủ lạnh 4oC,
thời gian bảo quản từ 1 đến nhiều năm, giống trước khi dùng được cấy ria trên môi
trường thạch và chọn các khuẩn lạc điển hình.
+ Giữ giống trong đất
Một số vi sinh vật có bào tử Clostridium pastetianum thường được bảo quản
tốt trong đất. Các bước tiến hành: đất vườn đem nghiền nhỏ, rây lấy những hạt nhỏ
bằng nhau cỡ 1 mm. Nếu đất chua thì cần bổ sung 1-2% CaCO3 và thêm cát hoặc than
hoạt tính khoảng 2% để làm cho đất được tơi xốp. Cho vào mỗi ống nghiệm vô trùng
khoảng 1-2 g đất, đậy nút bông, khử trùng 121oC trong 1 giờ với 2 lần liên tiếp mỗi
lần cách nhau 24 giờ. Cần phải kiểm tra vô trùng trước khi đem trộn với bào tử vi

25. 24
sinh vật, sấy khô, bảo quản như phương pháp bảo quản trong cát. Thời gian bảo
quản có thể đến 10 năm.
+ Giữ giống trên silicagel
Cách làm: Silicagel nghiền mịn cỡ 1 mm, phương pháp tương tự như giữ giống
trên cát.
+ Giữ giống trên hạt ngũ cốc
Các hạt như lúa, ngô, kê… đều có thể được sử dụng để giữ giống vi sinh vật.
Cách làm: chọn loại hạt tốt, loại bỏ tạp chất, rửa sạch cho vào nước sôi theo tỷ lệ
100g hạt / 30 ml nước sôi, khuấy đều, ngâm 30 phút, lọc bỏ nước, rải hạt lên khay
sạch để ráo nước, cho vào bình tam giác khoảng 15-16g/ bình 250ml, đậy nút bông,
khử trùng 121oC trong 40 phút, 3 lần, mỗi lần cách nhau 24 giờ. Bào tử của vi sinh
vật đem hòa vào nước vô trùng, dùng pipet cấy vào mỗi bình 3 ml, lắc đều nuôi ở
nhiệt độ thích hợp cho từng loại chủng trong thời gian 8-10 ngày, hằng ngày lắc nhẹ
để phá vỡ các khối hạt bết lại, làm khô trong tủ hút chân không cho đến khi độ ẩm
còn khoảng 8%. Kiểm tra độ thuần khiết và khả năng sống của giống trước khi dán
paraffin trên nút bông và bảo quản trong phòng mát.
b3. Phương pháp đông khô. Làm đông một dung dịch tế bào trong điều kiện
chân không, kéo theo sự thăng hoa của các phân tử nước. Huyền phù dịch nuôi cấy
được trong các môi trường bảo vệ như sữa, serum, hoặc glutamate natri, sau đó làm
đông khô và giữ trong tủ lạnh. Thời gian bảo quản có thể đến hơn 10 năm. Ưu điểm
của phương pháp này là tỷ lệ sống sót của vi sinh vật rất cao, các đặc tính di truyền
của vi sinh vật không bị biến đổi và thời gian giữ giống được kéo dài khá lâu, ít tốn
công sức để cấy chuyền nhiều lần.
Cách làm: nuôi vi sinh vật trên các môi trường thích hợp cho đến phase log, thu tế
bào và trộn với các chất bảo vệ, dùng pipet vô trùng phân từng 0,2 ml huyền phù vi
sinh vật vào các ống đông khô chuyên dùng, cho các ống giống vi sinh vật đã chuẩn
bị vào làm lạnh trong băng khô cacbonic + cồn etylic ở nhiệt độ -70oC đến -80oC,
trong khoảng 1-5 phút. Tiếp theo đưa vi sinh vật vào làm khô trong thiết bị đông khô
ở áp suất thấp, thời gian làm khô tùy thuộc vào thiết bị và số lượng giống cần làm
khô, trung bình 8-14 giờ, độ ẩm sau khi làm khô còn lại 1-4% . Để xác định độ ẩm
còn lại người ta dùng chất chỉ thị là CoCl2 tẩm trên các miếng giấy lọc, sấy khô và bỏ
các miếng giấy có tẩm CoCl2 vào các ống nghiệm kiểm tra, nếu giống đã được làm
khô thì giấy có màu xanh còn nếu độ ẩm còn thì miếng giấy sẽ có màu hồng. Các ống
giống khi đã khô được hàn kín để tránh bị ẩm trở lại và có thể bảo quản ở nhiệt độ
phòng hoặc trong tủ lạnh. Một số chất bảo vệ được trộn vào giống vi sinh vật để khi
đông khô tế bào không bị chết do sự hình thành các tinh thể nước cũng như chống

26. 25
các quá trình oxy hóa… Ví dụ trong trường hợp giữ giống vi khuẩn Lactobacillus
bằng phương pháp đông khô, các dung dịch bảo vệ thường được dùng:
Glutamate 3%
Lactose 8% + pepton 1,2%
Vitamin C 0,5 % + thiourea 0,5% + NH4Cl 0,05%
Saccharose 8% + sữa 5% + getalin 1,5%

27. 26
Noài leân
saûn xuaát
(> 1000L)
Khí vaøo
M
Noài nuoâi
caáy maàm
(10-100L)
M
Nuoâi caáy laéc
(200-1000mL)
Nuoâi caáy
gioáng goác
(5-10mL)
Nguyeân lieäu
Moâi tröôøng
Thanh truøng
Ly taâm/loïc
Dòch noãi
Sinh khoái
Xöû lyù nöôùc thaûi
Chieát xuaát saûn phaåm
Tinh cheá saûn phaåm
Ñoùng goùi
Dòch
sau
nuoâ
i
caá
y
Thaønh phaåm
Hình 3. 2. Sơ đồ lưu trình hệ thống lên men trong công nghiệp.

28. 27
2. 2. Hoạt hóa giống
Hoạt hoá giống là bước rất quan trọng nhằm mục đích khôi phục lại hoạt tính
sau thời gian giữ giống. Phương pháp cấy chuyền thường được sử dụng để hoạt hoá
giống bằng cách cấy giống trên môi trường thạch nghiêng trong ống nghiệm hoặc
trên đĩa thạch, ủ ở nhiệt độ thích hợp đến khi vi sinh vật phát triển thành một lớp
trên mặt thạch. Môi trường sử dụng phải bảo đảm giàu dinh dưỡng, độ pH tối ưu;
điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, độ thoáng khí phải thích hợp cho sự tăng trưởng
của chủng. Các điểm cần lưu ý trong công đoạn này bao gồm:
- Bề mặt thạch cần phải đảm bảo độ ẩm nhất định, không được quá khô vì như
thế sẽ gây ảnh hưởng đến sự phát triển của chủng sau khi được cấy ria lên mặt
thạch.
- Trong quá trình cấy ria, cần phải bảo đảm ria đều (theo đường zic-zăc) trên
mặt thạch, không ria quá gần mép thạch nghiêng vì ở đây lớp thạch mỏng, khô
không thích hợp cho sinh khối tế bào khi khuẩn lạc phát triển lớn.
- Cần phải kiểm soát tốt thời gian ủ để đạt được lượng sinh khối với hoạt tính
tối ưu và ổn định. Tránh trường hợp ủ thời gian quá dài, sinh khối tế bào phát triển
quá nhiều (over growth), lớp tế bào trên cùng của khuẩn lạc không được tiếp xúc
trực tiếp với dinh dưỡng của môi trường thạch trong thời gian dài sẽ ảnh hưởng đến
chất lượng của giống sau này.
2.3. Nhân giống
Mục đích của nhân giống là tạo một lượng sinh khối đủ lớn để đưa vào qui
trình sản xuất. Quá trình nhân giống thường dừng lại ở giai đoạn cuối của log phase,
khi đó hoạt tính của giống là tốt nhất. Quá trình nhân giống thường chia thành hai
giai đoạn:
a. Nhân giống sơ cấp
Công đoạn nhân giống sơ cấp thường được thực hiện trong phòng nhân giống
(phòng clean room) ở qui mô 100-500ml với thiết bị sử dụng có thể là:
1. Máy lắc với bình tam giác có thể tích phải gấp tối thiểu 4 lần thể tích dịch
nuôi cấy để bảo đảm đủ không gian để lắc trộn dịch nuôi cấy và cung cấp đủ lượng
oxy cần thiết. Tốc độ lắc là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tăng trưởng của
chủng trong quá trình nhân giống. Nếu lắc ở tốc độ thấp sẽ không bảo đảm cung cấp
đủ độ hòa tan oxy tốt trong dịch nuôi cấy, chủng sẽ phát triển chậm. Nếu lắc ở tốc độ
quá nhanh, dịch nuôi cấy sẽ tiếp xúc với phần nút bông (cotton plug) làm ẩm ướt nút
bông dễ gây ra hiện tượng tạp nhiễm và sẽ cản trở việc trao đổi không khí giữa bên
trong và bên ngoài của bình tam giác. Mặt khác, khi lắc ở tốc độ quá cao, tế bào vi
sinh vật sẽ bị ảnh hưởng bởi những tác động cơ học.

29. 28
2. Nồi lên men nhân giống với kích thước nhỏ. Hệ thống này có đầy đủ các yếu
tố bảo đảm cho chủng phát triển tốt nhất như độ khuấy trộn, hệ thống cung cấp
không khí, hệ thống hiệu chỉnh pH, nhiệt độ…. Tuy nhiên do có nhiều hệ thống liên
quan phức tạp tác động vào trong quá trình nuôi cấy nên nguy cơ xảy ra tạp nhiễm
trong trường hợp này là rất cao.
Khi quá trình nhân giống kết thúc cần phải tiến hành kiểm tra, đánh giá các
thông số quan trọng trước khi đưa vào sản xuất như mật độ tế bào thông qua giá trị
OD hoặc DCW (dried cell weight), hiệu suất sinh khối, độ pH, … so với tiêu chuẩn.
Một trong những vấn đề quan trọng của công đoạn nhân giống sơ cấp là phải bảo
đảm giống mầm không bị tạp nhiễm. Để đạt được điều này, cần phải bảo đảm môi
trường và thiết bị sử dụng được khử trùng triệt để, quá trình thao tác vận hành phải
được chuẩn hóa, đáp ứng được các tiêu chí vô trùng. Để kiểm tra tạp nhiễm của
giống mầm thông thường sử dụng phương pháp nuôi cấy trải trên đĩa pettri. Trong
một số trường hợp do mật độ tạp nhiễm quá nhỏ, không thể phát hiện được, người
ta thường nuôi cấy tăng cường (enrichment culture) nhằm tăng số lượng tế bào tạp
nhiễm (nếu có) trong mẫu thử để kiểm tra. Phương pháp thực hiện như sau: dùng
khoảng 10-50 ml dịch nhân giống sau khi kết thúc nuôi cấy nạp vào bình tam giác
chứa môi trường tương tự như môi trường nhân giống và tiếp tục nuôi cấy cùng
điều kiện trong thời gian 24 giờ. Sau đó lấy mẫu dịch trải lên đĩa pettri để kiểm tra
độ tạp nhiễm. Nếu tạp nhiễm xảy ra thì khả năng giống mầm ban đầu bị tạp nhiễm
rất lớn. Để bảo đảm kết quả đánh giá chính xác, quá trình nuôi cấy tăng cường cần
phải được thực hiện trong điều kiện tuyệt đối vô trùng.
b. Nhân giống thứ cấp
Tùy theo qui trình mà hệ thống nhân giống thứ cấp được thực hiện qua một
hoặc nhiều bậc. Quá trình nhân giống thức cấp được thực hiện trong nồi nuôi cấy
mầm với thể tích nạp giống tăng dần, khoảng 5-10% cho mỗi bậc. Cần phải bảo đảm
các điều kiện như thành phần dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy, pH, nhiệt độ…
tối ưu để chủng tăng trưởng tốt nhất. Mục đích của nhân giống thứ cấp là tạo được
lượng sinh khối lớn, hoạt tính tốt phục vụ cho lên men sản xuất.
2.4. Lên men sản xuất
Đây là công đoạn chính của qui trình, do vậy cần phải kiểm soát chặt chẽ các
điều kiện nuôi cấy như lượng tế bào cần thiết cho sản xuất, nhiệt độ, pH, hàm lượng
oxy hòa tan, nồng độ các cơ chất giới hạn nhằm đạt được hiệu quả lên men cao nhất.
Trong quá trình nuôi cấy cần phải rút ngắn lag phase, tăng cường tốc độ tăng trưởng
đặc trựng  đ ể đạt
giá trị tối đa, 
max và trong pha ổn định phải được duy trì tốt. Một
số thành phần dinh dưỡng sẽ bị cạn kiệt theo thời gian do vậy cần phải bổ sung để

30. 29
bảo đảm duy trì được hoạt tính sản xuất của chủng (mẻ- bổ sung). Trong quá trình
lên men cần phải phân tích, đánh giá hiệu quả lên men để xác định thời gian nuôi cấy
thích hợp, mang lại hiệu quả sản xuất cao nhất.
3. Hệ thống thiết bị liên quan đến qui trình lên men
Một hệ thống lên men hiếu khí có kiểm soát bao gồm các thiết bị liên quan
như sau (Hình 3.3):
V-11
Moâ
i
tröôø
n
g
Chieá
t
dòch
leâ
n
men
Motor
OÁ
n
g
nhaä
p
gioá
n
g
OÁ
n
g
naï
p
moâ
i
tröôø
n
g
boå
sung
V-12
V-13
I-9
Chaá
t
phaù
boï
t
Khí
thoaù
t
ra
FI
DO2
FI
pH
FI
TIC
FI
PI
V-14
Bôm
Heä
thoá
n
g
thanh
truø
n
g
lieâ
n
tuï
c
Heä
thoá
n
g
loï
c
khoâ
n
g
khí
V-15
V-16
H
+
/OH
-
Boà
n
chuaå
n
bò
moâ
i
tröôø
n
g
Bôm
Heä
thoá
n
g
nöôù
c
laø
m
maù
t
Cyclone

31. 30
Hình 3. 3. Mô hình hệ thống lên men kiểm soát tự động.
Hình 3. 4. Hệ thống thiết bị lên men qui mô pilot được thiết kế và gia công bởi
công ty Khoa học và Kỹ thuật Vĩnh An (Việt Nam).
(1)Bồn lên men thể tích 50 L (2 bồn)
(2)Tủ điều khiển: Kiểm soát các thông số: tốc độ khuấy trộn, độ pH, nhiệt độ,
oxy hoà tan
(3)Máy làm lạnh nước để giải nhiệt sinh học trong quá trình lên men
(4)Máy nén khí cung cấp không khí cho quá trình lên men
(5)Lò hơi điện nhằm cung cấp hơi nước nóng phục vụ cho khử trùng nồi lên
men và khử trùng môi trường trước khi nuôi cấy.
3.1. Nồi lên men
- Thân nồi: Tùy theo qui mô sản xuất mà thể tích bồn lên men sẽ khác nhau từ
1KL - 1.000 KL.
- Hệ thống khuấy trộn: Nhằm mục đích tạo sự đồng nhất của dịch lên men
trong nồi và tăng cường độ hòa tan của oxygen vào dịch lên men.
- Thiết bị giải nhiệt: Do quá trình lên men sinh ra năng lượng sinh học dưới
dạng nhiệt làm cho nhiệt độ của dịch lên men tăng lên. Để kiểm soát nhiệt độ thích
hợp cho nuôi cấy thì cần phải giải nhiệt cho nồi lên men. Tác nhân giải nhiệt thường
là nước có nhiệt độ thấp 5-25oC, được cung cấp bởi hệ thống máy làm mát nước
(chiller, cooling tower). Có 3 dạng thiết bị giải nhiệt thường được sử dụng cho nồi
lên men: (1) dạng áo (jacket) bao bên ngoài nồi lên men; dạng ống vòng xoắn (coil)
và dạng bó ống (tube set) gắn bên trong nồi lên men.
(1)
(2)
(5)
(4)
(3)

32. 31
Hình 3. 5. Thiết bị trao đổi nhiệt thường dùng trong nồi lên men.
- Hệ thống phân phối khí (air sparger): Nhằm phân chia không khí sục vào
bồn qua những lỗ có kích thước nhỏ, tạo điều kiện cho không khí tiếp xúc tốt với
dịch lên men, tăng diện tích tiếp xúc của bọt không khí với dịch lên men. Hệ thống
phân phối khí thường được lắp đặt ở gần đáy bồn lên men, bảo đảm hành trình của
bọt khí trong nồi lên men khi đi từ đáy bồn đến mặt dịch là dài nhất để tăng tính
hiệu quả hòa tan của oxy trong dịch nuôi cấy.
- Hệ thống thoát khí và hồi lưu dịch bọt tan (cyclone): Đối với trường hợp lên
men hiếu khí, không khí được sục vào từ đáy nồi lên men, sau đó sẽ thoát ra ngoài
qua hệ thống cyclone được gắn ở đỉnh bồn. Trong quá trình lên men do có rất nhiều
bọt khí được hình thành và vì tỷ trọng của bọt nhỏ nên toàn bộ bọt sẽ nổi lên ở bề
mặt dịch trong nồi lên men. Phần lớn bọt khí này sẽ thoát ra khỏi nồi lên men cùng
với không khí sau khi qua dịch lên men, đi vào hệ thống thu hồi dịch (cyclone). Ở
trong cyclone, bọt sẽ bị vỡ ra do tác động cơ học, phần khí trong bọt sẽ thoát ra
ngoài và phần dịch (màng bọt) sẽ được đưa trở lại nồi lên men qua đường ống hồi
lưu gắn ở đáy cyclone.
- Hệ thống các đầu dò cảm biến (sensor) để điều khiển pH, nhiệt độ, độ oxygen
hoà tan (DO2), phá bọt tự động …. Trong quá trình lên men, do hoạt động của vi sinh
vật làm thay đổi các đặc điểm lý-hóa của dịch lên men. Để bảo đảm các yếu tố này
thường xuyên được duy trì ở giá trị phù hợp với nhu cầu của vi sinh vật, cần phải có
hệ thống cảm biến ghi nhận và hiệu chỉnh kịp thời. Một hệ thống điều kiện tự động
bao gồm: đầu dò cảm biến gắn trực tiếp vào nồi lên men, thiết bị ghi nhận và xử lý
tín hiệu, van tự động đóng mở để kiểm soát lượng tác nhân hiệu chỉnh cung cấp vào
nồi lên men trong quá trình nuôi cấy. Ví dụ trong trường hợp kiểm soát pH tự động.
Giá trị pH vận hành trong nồi lên men được cài đặt là 7,5. Khi pH giảm xuống dưới
7,5 đầu dò cảm biến sẽ ghi nhận và gởi giá trị này về thiết bị điều khiển trung tâm. Ở

33. 32
đây sẽ phân tích và so sánh với giá trị cài đạt và sau đó sẽ gởi tín hiệu đến van tự
động. Van tự động sẽ mở ra và tác nhân hiệu chỉnh pH OH- sẽ được cung cấp vào nồi
lên men. Khi OH- vào nồi lên men sẽ làm cho pH tăng dần lên và khi vượt qua khỏi
ngưỡng cài đặt 7,5 thì đầu dò cảm biến sẽ nhận diện và thông tin sẽ được xử lý, van
tự động sẽ đóng lại, ngưng cung cấp nguồn OH-. Cứ như vậy, pH nuôi cấy của dịch lên
men được kiểm soát tự động trong suốt quá trình lên men.
- Các đường ống: nạp liệu, nạp giống, lấy mẫu, đường xả dịch …Tất cả các
đường ống này đều có gắn van nhằm cô lập các hệ thống hỗ trợ với nồi lên men và
để điều tiết dịch nạp vào hoặc chiết ra khi cần thiết.
3.2. Hệ thống cung cấp oxygen (không khí nén hoặc nguồn oxygen lỏng)
- Máy nén khí: hút không khí và nén lại ở áp suất 1-3 kgf/cm2 để cung cấp cho
nồi lên men. Lưu ý là nhiệt phát ra trong quá trình nén không khí do vậy cần phải
giải nhiệt cho hệ thống thiết bị nén và không khí nén trước khi cung cấp vào nồi lên
men. Tác nhân giải nhiệt thường dùng là nước đã làm mát (chilled water/ cooling
tower water).
Hình 3. 6. Máy nén không khí sử dụng trong công nghiệp.
- Hệ thống tách nước ngưng trong khí nén, bao gồm các thiết bị hạ nhiệt, thiết
bị tách nước ngưng (cyclone). Do không khí sau khi được nén lại nhiệt độ sẽ tăng cao
và trong không khí có độ ẩm lớn nên trước khi sử dụng cho lên men cần phải tách
loại nước ngưng và hạ nhiệt độ. Hàm lượng ẩm cao trong khí nén sẽ làm tăng thể
tích dịch lên men, giảm lưu lượng khí qua các lọc khi và có thể gây tạp nhiễm.
- Thiết bị lọc khí. Kích thước lỗ lọc có thể thay đổi từ 0,01 - 0,5 mm tùy theo
mục đích sử dụng.

34. 33
- Các thiết bị điều khiển áp suất, lưu lượng.
3.3. Hệ thống nước giải nhiệt
- Tháp giải nhiệt, máy làm lạnh (chiller)
- Bơm cấp nguồn nước nhiệt độ thấp cho nồi lên men
Hình 3. 7. Sơ đồ hệ thống máy làm lạnh nước cung cấp cho hệ thống lên men.
3.4. Hệ thống chuẩn bị và khử trùng môi trường liên tục
- Bồn chứa các thành phần nguyên liệu, bơm, thiết bị phụ trợ…
- Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt liên tục
- Tháp lưu
3.5. Lò hơi
Cung cấp hơi nước nóng với áp suất >1,5 kgf/cm2 phục vụ cho việc khử trùng
nồi lên men, môi trường nuôi cấy…. Có thể dùng các nhiên liệu như dầu DO, FO, khí
hóa lỏng (LPG), khí nén thiên nhiên (CNG) để đốt lò hoặc dùng điện trở đốt nóng
(electrical boiler).

35. 34
Hình 3. 8. Sơ đồ lò hơi cung cấp hơi nước nóng để tiệt trùng cho hệ thống lên men.
CHƯƠNG 4. MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY TRONG LÊN MEN CÔNG
NGHIỆP
1. Giới thiệu
Môi trường nuôi cấy được thiết kế tùy theo yêu cầu của chủng vi sinh vật,
phương pháp lên men và sản phẩm mục tiêu. Trước khi thiết kế môi trường lên men
cần khảo sát chi tiết về nhu cầu dinh dưỡng của chủng, nguồn cơ chất trực tiếp tạo ra
sản phẩm và hệ thống thiết bị-công nghệ lên men. Tuy nhiên các môi trường lên men
đều có chung một số yêu cầu căn bản. Toàn bộ các chủng vi sinh vật trong quá trình
sinh trưởng, phát triển và tạo sản phẩm trao đổi chất đều cần nước, nguồn năng
lượng, nguồn carbon, nguồn nitrogen, nguồn khoáng vi lượng, vitamin và oxygen
(đối với trường hợp hiếu khí). Đối với qui mô phòng thí nghiệm thì việc chuẩn bị
môi trường tương đối đơn giản vì thường dùng các hợp chất tinh khiết. Tuy nhiên
với qui mô sản xuất công nghiệp thì công đoạn này khá phức tạp.
Trong công nghiệp người ta dùng các nguồn dinh dưỡng khác nhau để chuẩn
bị môi trường với yêu cầu là càng thỏa mãn các điều kiện sau đây càng tốt.
- Tăng cường tối đa hiệu suất tạo sinh khối hoặc/và sản phẩm
- Tăng cường tối đa nồng độ sinh khối hoặc sản phẩm
- Cho phép tạo được tốc độ sản xuất tối đa
- Hạn chế đến mức tối thiểu hiệu suất tổng hợp các sản phẩm không mong
muốn.
- Ổn định chất lượng và sẵn sàng cho sử dụng quanh năm
- Hạn chế đến mức tối thiểu việc xảy ra các vấn đề trong quá trình chuẩn bị và
khử trùng môi trường.

36. 35
- Hạn chế đến mức tối thiểu các vấn đề nảy sinh như gây trở nảy cho việc
khuấy trộn, chiết tách, tinh sạch và xử lý chất thải.
Cần lưu ý là việc chọn môi trường có liên quan mật thiết đến việc thiết kế nồi
lên men, ảnh hưởng đến quá trình thu hồi sản phẩm và quá trình xử lý chất thải sau
lên men và các yếu tố liên quan đến pháp luật, văn hóa, tôn giáo, …
2. Thiết kế môi trường lên men
Thiết kế môi trường lên men là bước rất quan trọng quyết định sự thành công
trong nuôi cấy vi sinh. Thành phần môi trường nuôi cấy phải bảo đảm đủ lượng để
phục vụ cho việc tăng sinh khối, tạo các chất trao đổi và cung cấp đủ năng lượng cho
việc duy trì mật độ tế bào và sự sinh tổng hợp. Phương trình cân bằng vật chất trong
quá trình lên men được mô tả như sau:
[C và E] + [N] + O2 + Các yếu tố khác  Sinh khối + Sản phẩm + CO2 + H2O + Nhiệt
Thành phần môi trường bao gồm các yếu tố đa lượng, trung lượng và vi
lượng.
- Yếu tố đa lượng bao gồm: Nguồn nước, nguồn carbon, nguồn nitơ.
- Yếu tố vi lượng bao gồm: Nguồn muối khoáng, nguồn vitamin, các chất hỗ
trợ tăng trưởng, chất kiểm soát …
Dựa vào thành phần và hàm lượng của các chất trong tế bào vi sinh vật để
thiết kế đủ thành phần và lượng cần thiết nhằm thu nhận được sinh khối theo yêu
cầu, bảo đảm sản xuất. Bảng 4.1 mô tả một số thành phần căn bản của sinh khối các
loài vi sinh vật khác nhau, cho thấy carbon chiếm khoảng 50% trọng lượng khô tế
bào, và các nguyên tố C, O, N, H chiếm tổng cộng khoảng 92%.
Bảng 4. 1. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong tế bào vi sinh vật

37. 36
Đơn vị: % theo trọng lượng khô của tế bào.
Bảng 4. 2. Phân tích thành phần của một số chủng vi sinh vật.
Chủng vi sinh
vật
Nguồn
carbon
Tốc độ
tăng
trưởng
Thành phần Công thức ước
định
Trọng
lượng
phân
tử
C H N O
Klibsiella
aerogenes
Glycerol 0,1 50,6 7,3 13,0 29,0 CH1,74O0,43N0,22 23,7
Aerobacter
aerogenes
Complex 48,7 7,3 13,9 21,1 CH1,78O0,33N0,24 22,5
Aerobacter
aerogenes
Complex 0,9 50,1 7,3 14,0 28,7 CH1,73O0,24N0,43 24,0
Sacchromyces
cerevisiae
47,0 6,5 7,5 31,0 CH1,66O0,49N0,13 23,5
Sacchromyces
cerevisiae
50,3 7,4 8,8 33,5 CH1,75O0,15N0,50 23,9
Candida utilis Glucose 0,45 46,9 7,2 10,9 35,0 CH1,84O0,56N0,20 25,6
Candida utilis Ethanol 0,43 47,2 7,3 11,0 34,6 CH1,84O0,55N0,20 25,5
Từ các kết quả phân tích thành phần tế bào ở Bảng 4.2 trên đây cho thấy, hàm
lượng carbon thay đổi từ 46-50%, H từ 6-7%, N từ 8-14% và O từ 29-35%. Sự thay
đổi này tùy thuộc vào cơ chất và điều kiện tăng trưởng. Trong tính toán kỹ thuật,
Các nguyên tố E.coli Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc
C 50 50-53 45-50 40-63
O 20
H 8 7 7
N 14 12-15 7,5-11 7-10
P 3 2-3 0,8-2,6 0,4-4,5
S 1 0,2-1,0 0,01-0,24 0,1-0,5
K 1 1-4,5 1,0-4,0 0,2-2,5
Na 1 0,5-1,0 0,01-0,1 0,02-2,5
Ca 0,5 0,01-1,1 0,1-0,3 0,1-1,4
Mg 0,5 0,1-0,5 0,1-0,5 0,1-0,5
Cl 0,5 0,5 - -
Fe 0,2 0,02-0,2 0,01-0,5 0,1-0,2
Khác 0,3

38. 37
người ta sử dụng công thức chung của vi sinh vật là: CH1,8O0,5N0,2. Dựa trên công
thức này, trọng lượng phân tử tế bào được xác định là 24,6.
Ví dụ: Muốn sản xuất thu 10 g tế bào khi sử dụng glucose làm nguồn carbon
thì lượng glucose tối thiểu cần thiết trong môi trường phải là bao nhiêu?
Công thức ước định của tế bào: CH1,8O0,5N0,2
Glucose: C6H12O6: MW 180.
Số phân tử mol tế bào cần là: 10/24,6
Số mole glucose cần 1/6×10/24,6
Lượng glucose cần: 1/6×10/24,6×180 = 12,2 g.
Một số môi trường thông dụng:
1. Môi trường sinh tổng hợp Amylase (Underkofler, 1966)
Dịch thủy phân đậu nành 1,85%
Dịch chiết nấm men thủy phân 1,5%
Dịch thủy phân casein 0,65%
Lactose 4,75%
MgSO4.7H2O 0,04%
Chất phá bọt 0,05%
2. Môi trường sản xuất glutamic acid (Gore et al., 1968)
Dextrose 270g/L
NH4H2PO4 2g/L
(NH4)2HPO4 2g/L
K2SO4 2g/L
MgSO4.7H2O 0,5g/L
MnSO4.H2O 0,04g/L
FeSO4.7H2O 0,02g/L
Polyglycol 2000 0,3g/L
Biotin 12mg/L
Penicillin 11mg/L
3. Môi trường sản xuất Pennicillin (Perlan, 1970)
Glucose hoặc rỉ đường (feed liên tục) 10%
Dịch chiết bắp 4-5%
Phenylacetic acid 0,5- 0,8 %

39. 38
Lard oil (hoặc dầu thực vật) dùng làm chất phá bọt 0,5%
pH 6.5-7.5 (acid hoặc kiềm)
4. Môi trường sản xuất Endotoxin từ Baccillus thuringiensis (Holmberg et al., 1980)
Rỉ đường 0-4%
Bột đậu nành 2-6%
KH2PO4 0,5%
K2HPO4 0,5%
MgSO4 0,0005%
MnSO4 0,003%
FeSO4 0,001%
CaCl2 0,005%
Na(NH4)2PO4.4H2O 0,15%
3. Các thành phần của môi trường lên men
3.1. Nước
Tế bào vi sinh vật chứa 70% là nước, do vậy nước là yếu tố quan trọng trong
tất cả các môi trường lên men. Ngoài ra nước rất cần thiết cho các hoạt động khác
trong công nghệ lên men như là tác nhân gia nhiệt, giải nhiệt hoặc phục vụ cho việc
vệ sinh thiết bị. Nguồn nước cung cấp phải ổn định, sạch bảo đảm các yếu tố như độ
pH, các muối khoáng hòa tan và mức độ tạp khuẩn trong nước.
Hàm lượng khoáng trong nước rất quan trọng đối với công nghiệp lên men
sản xuất bia. Ví dụ nước cứng có hàm lượng CaSO4 cao rất tốt cho bia đắng Bourton
của Anh. Nước có hàm lượng carbonate cao thì tốt cho các loại bia có màu sậm hơn
như bia nâu. Ngày nay, trước khi dùng cho qui trình lên men nước thường được xử
lý bằng phương pháp khử ion, hay các kỹ thuật khác như bổ sung muối khoáng, hiệu
chỉnh pH, lọc bỏ tạp khuẩn, …
Trong thực tế, để tiết kiệm, góp phần giảm thiểu giá thành sản xuất, người ta
thường nghiên cứu tái sử dụng nguồn nước thu hồi từ các qui trình khác. Trong một
số qui trình sau lên men, ở giai đoạn thu hồi hoặc kết tinh, một lượng lớn nước thoát
ra từ qui trình này do hoạt động cô đặc. Lượng nước này khi thoát ra trong quá trình
bay hơi kéo theo một số hợp chất khác trong dịch như NH3 (còn lại trong dịch lên
men của mẻ trước), các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, … sau đó được đưa vào tái sử
dụng cho lên men, góp phần làm giảm tải cho qui trình xử lý nước thải của hệ thống.
3.2. Nguồn năng lượng

40. 39
Năng lượng cho sự tăng trưởng của vi sinh vật bắt nguồn hoặc là từ sự oxy
hóa các thành phần dinh dưỡng trong môi trường hoặc là từ ánh sáng. Hầu hết trong
công nghiệp vi sinh, các chủng thường dùng là hóa dưỡng. Do vậy, nguồn năng lượng
thông dụng nhất được dùng là từ nguồn carbon như các carbohydrate, lipid và
protein. Một vài chủng còn dùng được cả hydrocarbon hay methanol làm nguồn C và
năng lượng cho quá trình tăng trưởng và trao đổi chất. Chu trình TCA vừa cung cấp
các acid hữu cơ làm khung C để hình thành các chất quan trọng khác cung cấp cho tế
bào mặt khác còn cung cấp các chất mang năng lượng lớn như NADH, FADH, các chất
này sau đó di vào chuỗi chuyển điện tử để tổng hợp ATP cung cấp nguồn năng lượng
lớn cho hoạt động của tế bào.

41. 40
Acetyl-CoA
CoA
Citrate3-
Isocitrate3-
Aconitate3-
Succinyl-
CoA
α-Ketoglutarate 2-
Succinate 2-
Oxaloacetate 2-
Malate 2-
Fumarate 2-
Pyruvate-(C3)
NADH CO2
CO2
CO2
CoA
NAD(P)H
CoA+NAD+
NADH
GTP GDP+Pi
FADH
FAD
NADH
NAD+
NADP+
Overall reaction: Pyruvate-+4NAD++FAD 3CO2+4NADH+FADH
(1)Substrate level: GDP+Pi
phosphorylation GTP+ADP
(2)Electron transport 4NADH = 12ATP
phosphorylation FAD = 2ATP
GTP
GDP+ATP
(3)Sum: CAC plus Glycolysis 38 ATP per glucose
15 ATP
Hình 4. 1. Chu trình TCA và cân bằng năng lượng.

42. 41
3.3. Nguồn carbon
Nguồn carbon được sử dụng thường có ảnh hưởng đến sự tổng hợp sinh khối
hay các sản phẩm trao đổi sơ cấp và thứ cấp. Khi chọn lựa nguồn carbon cho qui
trình lên men cần dựa trên các yếu tố sau:
- Sản phẩm chính của quá trình
- Giá thành sản phẩm
- Độ tinh khiết của nguyên liệu (các ion kim loại)
Các nguồn C thường dùng là carbohydate: bột ngô, bột ngũ cốc, khoai tây, bột
mì…. Ngoài ra, mật rỉ mía đường hoặc mật rỉ củ cải đường cũng được dùng làm
nguồn C. Nguồn carbon từ dầu (dầu olive, dầu bắp, dầu cotton, dầu đậu phộng …) mỡ
(các acid béo, oleic, linoleic, linolenic,…), có thể cung cấp năng lượng cao hơn nhiều
so với từ glucose. Nguồn hydocarbon và các dẫn xuất: n-alkane, methane, methanol.
Ngoài ra, đối với một số qui trình lên men người ta còn dùng cellulose làm nguồn
cung cấp C.
Khi khử trùng môi trường lên men, nên tách riêng nguồn đường khử với
nguồn nitơ hữu cơ vì chúng dễ dàng phản ứng với NH2- trong cấu trúc của amino
acid (phản ứng Maillards, caramen hóa) tạo nên hợp chất chứa nitrogen có màu đen
gây ức chế cho tăng trưởng của tế bào. Phản ứng Maillards xảy ra theo 3 giai đoạn:
- Phân tử glucose kết hợp với amino acid để hình thành N glucoside
- Sau đó hình thành immonium ion và diễn ra quá trình isomer hóa để hình
thành ketosamine
- Ketosamine bị dehydrate hóa và kết hợp với redutones để hình thành các
hợp chất có màu, gây ức chế tăng trưởng của vi sinh vật.

43. 42
3.4. Nguồn nitrogen
Hầu hết các chủng vi sinh vật sử dụng trong công nghiệp có thể dùng được cả
hai nguồn nitrogen là vô cơ (ammonia, nitrate, nitrite,) và hữu cơ (amino acid, urea,
cao nấm men, dịch chiết thịt, dịch chiết cao bắp, dịch thủy phân đậu nành, peptone,
dịch thủy phân cá–nước mắm, …). NH3 được dùng vừa để hiệu chỉnh pH vừa là
nguồn cung cấp N trong môi trường nuôi cấy Sac. cerivisiae sản xuất công nghiệp
dịch albumin người (Collins, 1990). Các muối của ammonium như ammonium
sulphate, thường gây nên tính acid khi vi sinh vật sử dụng NH4+ và giải phóng gốc
acid tự do. Mặt khác, khi gốc nitrate được sử dụng thì gây nên sự thay đổi dần sang
điều kiện kiềm. Ban đầu, ammonium nitrate tạo nên pH acid khi NH4+ được sử dụng
và sẽ gây ức chế quá trình đồng hóa nitrate. Sau đó khi nguồn NH4+ bị cạn kiệt, có sự
chuyển dần sang điều kiện kiềm khi nitrate được dùng làm nguồn N. Tuy nhiên có
một ngoại lệ cho kiểu trao đổi chất nguồn N này là đối với chủng Gibberella fujikuroi
(Borrow et al., 1961, 1964). Ở pH 2,8 -3,0, nitrate ức chế sự đồng hoá NH4+ của vi
sinh vật. Khi pH tăng dần đến giá trị thích hợp, sự đồng hoá nitrate của vi sinh vật
chuyển dần qua NH4+. Nguồn N hữu cơ được sử dụng có thể từ các nguồn amino
acids, protein, urea. Trong nhiều trường hợp, sự tăng trưởng của chủng sẽ nhanh
hơn nếu chúng ta cung cấp nguồn N là hữu cơ, và một số chủng vi sinh vật đòi hỏi
một số amino acid nhất định cho tăng trưởng. Trong lên men amino acid công
nghiệp, cần bổ sung một lượng nhất định amino acid đối với các chủng đột biến
khuyết dưỡng các amino acid này. Tuy nhiên, các amino acid dùng để bổ sung vào
môi trường nuôi cấy là nguồn N hữu cơ phức tạp, thường không đồng nhất, rẻ tiền,
ổn định. Trong công nghiệp lên men sản xuất lysine, người ta sử dụng methionine và
threonine thu nhận từ dịch thủy phân đậu nành để bổ sung vào môi trường nuôi cấy
thay thế cho loại tinh khiết, đắt tiền.

44. 43
Các hợp chất N dùng làm nguồn cung cấp amino acid là dịch chiết cao bắp,
dịch đậu nành, đậu xanh, từ hạt coton, cao nấm men. Ngoài ra các dịch này còn bổ
sung các yếu tố khác như vitamin, khoáng. Trong quá trình cất giữ các sản phẩm này,
chất lượng của chúng có thể bị ảnh hưởng bởi tác động của yếu tố môi trường như
độ ẩm, nhiệt độ và thời gian lưu giữ.
Hình 4. 2. Các con đường chuyển hóa Nitơ.
Trong sản xuất vaccines cho người, cần phải sử dụng nguồn amino acid tinh
khiết để chuẩn bị môi trường, không nên dùng amino acid từ protein. Khi chọn lựa
nguồn nitơ cần quan tâm đến các yếu tố sau:
- Cơ chế kiểm soát việc sử dụng nguồn nitrogen tồn tại bởi enzyme khử
nitrate, một enzyme liên quan đến việc chuyển hoá nitrate thành ion NH4+, bị ức chế
khi có sự hiện diện của ammonia. Nguyên nhân của quá trình này là do ammonia

45. 44
hoặc ion NH4+ là nguồn N được sử dụng thích hợp hơn. Người ta đã có các thí
nghiệm khảo sát trên nấm cho thấy rằng NH4+ ức chế sự hấp thụ các amino acids nói
chung và các amino acids màng nói riêng. Đối với Aspergillus nidulans, ammonia điều
hoà sự sản xuất các protease kiềm tính và trung tính. Vì thế, trong một hỗn hợp
nguồn N, từng thành phần của N có ảnh hưởng đến sự điều hòa trao đổi chất và do
vậy có sự chọn lựa nguồn N thích hợp để sử dụng trước cho đến khi nguồn này cạn
kiệt.
- Người ta đã chứng minh rằng việc sản xuất kháng sinh bởi nhiều chủng vi
sinh vật khác nhau chịu ảnh hưởng bởi loại và nồng độ nitrogen trong môi trường
nuôi cấy. Nguồn N dễ đồng hóa như NH4+, NO3-, các amino acid có thể ức chế sự sinh
tổng hợp các chất kháng sinh. Sự sản xuất kháng sinh chỉ bắt đầu tăng trong môi
trường nuôi cấy sau khi toàn bộ nguồn N đã được sử dụng hết.
Trong thí nghiệm nuôi cấy lắc trong bình tam giác, muối của các acid yếu
(ammonium succinate) được bổ sung vào làm nguồn N và để hạn chế sự thay đổi pH,
có thể dùng muối ammonium của các acid mạnh như Cl- hoặc SO42-. Theo cách này,
người ta có thể dùng muối phosphate có nồng độ thấp hơn trong môi trường để làm
hệ đệm pH, nhưng nếu nồng độ muối phosphate cao có thể gây ức chế việc sản xuất
nhiều chất trao đổi thứ cấp.
- Trong lên men sản xuất gibberellin, nguồn N ảnh hưởng lên việc định hướng
sản xuất các loại gibberellin và tỷ lệ tương quan giữa các loại này (Jefferys, 1970).
Năm 1963, Rhodes đã chứng minh rằng nồng độ tối thích của nguồn N cho sản
xuất griseofulvin có sự biến thiên tùy thuộc vào kiểu cấy giống và loại nồi lên men
đang sử dụng. Như vậy, các yếu tố này cần phải được đề cập khi giải thích các kết
quả các chương trình nghiên cứu phát triển các loại môi trường nuôi cấy vi sinh vật.
Một số nguyên liệu có chứa nguồn N phức tạp, vi sinh vật không thể sử dụng được và
gây trở ngại với các qui trình thu hồi và qui trình xử lý chất thải.
3.5. Các nguyên tố khoáng trung - vi lượng
Hầu hết các chủng vi sinh vật đòi hỏi một số nguyên tố trung-vi lượng nhất
định cho sự tăng trưởng và trao đổi chất. Trong nhiều môi trường nuôi cấy, Mg, P, K,
S, Ca, Chlorine là các thành tố rất cần thiết. Tùy từng loại môi trường mà nồng độ yêu
cầu cũng khác nhau và do vậy chúng thường được bổ sung vào môi trường từ các
thành phần riêng biệt. Các nguyên tố khác như Co, Cu, Mn, Mb và Zn cũng là những
nguyên tố đóng vai trò quan trọng thường có sẵn trong các thành phần nguyên liệu
nhưng chỉ với hàm lượng rất nhỏ nên cần phải phân tích môi trường nuôi cấy để nếu
cần thiết thì phải bổ sung thêm nhằm luôn bảo đảm rằng các nguyên tố vi lượng đạt
hàm lượng theo nhu cầu của vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy. Trong thực tế,

46. 45
chất lượng của nguồn nguyên liệu không ổn định (vì nguồn gốc tự nhiên) nên hàm
lượng của các nguyên tố này cũng thay đổi. Bảng 4. 3 cho thấy thành phần các chất
trong dịch thủy phân cao bắp.
Bảng 4. 3: Thành phần dịch thuỷ phân cao bắp
Tổng hàm lượng chất rắn
Hàm lượng acid qui về lactic acid
Tổng lượng đường khử tự do
Tổng lượng đường khử tự do sau thủy
phân
Tổng lượng nitrogen:
Alanine
Arginine
Glutamic acid
Leucine
Proline
Isoleucine
Threonine
Valine
Phenylalanine
Methionine
Cystine
Hàm lượng tro
51%w/v
15%w/v
5.6%w/v
6.8%w/v
4%w/v
25
8
8
6
5
3.5
3.5
3.5
2.0
1.0
1.0
1.25%w/v
Potassium
Phosphorus
Sodium
Magnesium
Iron
Copper
Calcium
Zinc
Lead
Silver
Chromium
Vitamine
Aneurine
Biotin
Ca-pantothenate
Folic acid
Nicotinamide
Riboflavine
20%
1-5%
0,3-1%
0,003-0,3%
0,01-0,3%
0,01-0,03%
0,003-0,08%
0,001-0,003%
41-49 mg/g
0,34-0,38 mg/g
14,5-21,5 mg/g
0,26-0,6 mg/g
30-40 mg/g
3,9-4,7 mg/g
Các nguyên tố vi lượng này đóng vai trò rất quan trọng trong cấu trúc của
enzyme.
}
}

47. 46
Hình 4. 3. Mô hình enzyme hydrolase với nguyên tố Zn ở tâm hoạt động.
Bảng 4. 4. Vai trò của các nguyên tố vi lượng.
Nguyên tố kim
loại
Vai trò
Coban (Co) Cần để tạo Vitamin B12, transcarboxylase của vi khuẩn lên men
propionic.
Molypden (Mo) Có trong cấu trúc của molybdoflayvoprotein tham gia khử
nitrate và trong nitrogenase khử N2.
Đồng (Cu) Có trong một số enzyme tham gia hô hấp như cytochrome C; có
trong enzyme tham gia quang hợp như plastocyanin và một số
superoxide dismutase.
Mangan (Mn) Làm hoạt hóa nhiều enzyme, có trong một số superoxide
dismutase, là những enzyme rất quan trọng để khử độc dạng
độc O2.
Niken (Ni) Có trong các enzyme hydrogenase có chức năng nhận hoặc
phóng thích H2.
Tungsten và Selen Có vai trò trong định dạng cấu trúc enzyme dehydrogenase
Sắt (Fe) Có trong nhiều enzyme trong tế bào đặc biệt là các enzyme hô
hấp.