Giáo trình Công nghệ tế bào

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ tế bào

1. Lời nói đầu Công nghệ tế bào là một bộ phận quan trọng của công nghệ sinh học, chủ yếu nghiên cứu các quá trình nuôi cấy tế bào động-thực vật và vi sinh vật để sản xuất sinh khối, sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học (enzyme, vaccine, các chất thứ cấp ), để làm mô hình thực nghiệm khảo sát các tác động của hoá chất, làm nguyên liệu ghép tế bào và cơ quan Mặc dù, các kỹ thuật nuôi cấy tế bào chỉ được phát triển vào nửa đầu thế kỷ 20, nhưng đến nay các ứng dụng của chúng đã có những bước tiến vượt bậc nhờ sự đóng góp của công nghệ DNA tái tổ hợp. Bên cạnh các giáo trình như: sinh học phân tử, nhập môn công nghệ sinh học, công nghệ DNA tái tổ hợp, công nghệ chuyển gen giáo trình công nghệ tế bào sẽ giúp sinh viên tiếp cận thêm một lĩnh vực khác của công nghệ sinh học thông qua việc cung cấp những kiến thức cơ bản về các vấn đề sau: - Sinh trưởng và động học sinh trưởng của tế bào. - Thiết kế các hệ lên men. - Nuôi cấy tế bào và các ứng dụng của chúng. Giáo trình công nghệ tế bào được biên soạn theo hướng khảo sát một quá trình sinh học mang tính công nghệ nhiều hơn cả đó là quá trình lên men ứng dụng cho cả tế bào vi sinh vật, lẫn tế bào động-thực vật trong các thiết bị nuôi cấy (bioreactor/fermenter). Do đó, một số ứng dụng khác của các kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào nói chung chúng tôi không đưa vào giáo trình này. Lĩnh vực công nghệ tế bào rất rộng và đa dạng, hơn nữa giáo trình này mới được xuất bản lần đầu tiên nên khó tránh khỏi thiếu sót hoặc chưa đáp ứng được yêu cầu bạn đọc. Vì thế, chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn. Tác giả
2. Chương 1 Mở đầu I. Công nghệ sinh học Đến nay có rất nhiều định nghĩa và cách diễn đạt khác nhau về công nghệ sinh học tùy theo từng tác giả và tổ chức. Tuy nhiên, công nghệ sinh học (biotechnology) có thể được định nghĩa một cách tổng quát như sau: “Công nghệ sinh học là các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp mà nhân tố tham gia trực tiếp và quyết định là các tế bào sống (vi sinh vật, thực vật và động vật). Mỗi tế bào sống của cơ thể sinh vật hoạt động trong lĩnh vực sản xuất này được xem như một lò phản ứng nhỏ”. Nếu công nghệ sinh học được định nghĩa theo hướng trên thì nó không thể được thừa nhận là một lĩnh vực khoa học mới. Bởi vì, từ xa xưa loài người đã biết sử dụng các vi sinh vật để lên men bánh mì và thực phẩm, cho dù họ không biết cơ chế của những biến đổi sinh học này là như thế nào. Loài người cũng đã biết từ rất lâu việc lai tạo động vật và thực vật để cải thiện năng suất vật nuôi và cây trồng được tốt hơn. Vì thế, công nghệ sinh học được định nghĩa như trên được xem như công nghệ sinh học truyền thống. Tuy nhiên, trong những năm gần đây thuật ngữ công nghệ sinh học thường được sử dụng nhằm đề cập đến những kỹ thuật mới như DNA tái tổ hợp và dung hợp tế bào, và được xem là lĩnh vực công nghệ sinh học hiện đại. 1. Công nghệ DNA tái tổ hợp (DNA recombinant technology) Là những kỹ thuật cho phép thao tác trực tiếp nguyên liệu di truyền của các tế bào riêng biệt, có thể được sử dụng để phát triển các vi sinh vật sản xuất các sản phẩm mới cũng như các cơ thể hữu ích khác. Những kỹ thuật này còn được gọi là kỹ thuật di truyền (genetic engineering), công nghệ di truyền (genetic technology), thao tác gen (gene manipulation), kỹ thuật gen (gene engineering) hay công nghệ gen (gene Công nghệ tế bào 2
3. technology) Mục tiêu chính của công nghệ DNA tái tổ hợp là gắn một gen ngoại lai (foreign gene) mã hóa cho một sản phẩm mong muốn vào trong các dạng DNA mạch vòng (plasmid vector) và sau đó đưa chúng vào trong một cơ thể vật chủ, sao cho gen ngoại lai có thể biểu hiện để sản xuất sản phẩm của nó từ cơ thể này. 2. Dung hợp tế bào (cell fusion) Là quá trình hình thành một tế bào lai đơn (single hybrid cell) với nhân và tế bào chất từ hai loại tế bào riêng biệt để tổ hợp các đặc điểm mong muốn của cả hai loại tế bào này. Chẳng hạn, các tế bào đặc biệt của hệ thống miễn dịch có thể sản xuất ra các kháng thể hữu ích. Tuy nhiên, các tế bào này thường khó nuôi cấy vì tốc độ sinh trưởng của chúng rất chậm. Mặt khác, các tế bào khối u nhất định nào đó có các đặc điểm bất tử và phân chia nhanh. Bằng cách dung hợp hai tế bào này, một tế bào lai hybridoma có thể được tạo ra mang cả hai tính trạng trên. Các kháng thể đơn dòng (monoclonal antibodies-Mabs) được sản xuất từ các tế bào lai, được dùng để chẩn đoán, điều trị bệnh và tinh sạch protein. 3. Ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại Các ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại là rất nhiều (Bảng 1.1). Các dược phẩm hiếm và đắt triền trước đây như insulin để chữa bệnh đái tháo đường, hormone sinh trưởng người để điều trị bệnh còi của trẻ em, interferon để chống viêm nhiễm, vaccine phòng bệnh và các kháng thể đơn dòng dùng để chẩn đoán có thể được sản xuất bằng các tế bào được biến đổi di truyền hoặc các tế bào lai rẻ tiền với số lượng lớn. Các con giống sạch bệnh hoặc khoẻ mạnh hơn, các vật nuôi dùng làm thực phẩm có sản lượng cao có thể được phát triển, các loài cây trồng quan trọng có thể được biến đổi di truyền để có các tính trạng chống chịu stress, chống chịu chất diệt cỏ và kháng côn trùng. Hơn nữa, công nghệ DNA tái tổ hợp có thể được ứng dụng để phát triển các vi sinh vật được biến đổi di truyền (genetically modification) sao cho chúng có thể sản xuất các hợp chất hóa học khác nhau với sản lượng cao hơn các vi sinh vật bình thường. Công nghệ tế bào 3
4. Bảng 1.1. Các ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại. Lĩnh vực Các sản phẩm hoặc các ứng dụng Dược phẩm Kháng sinh, kháng nguyên (kích thích các đáp ứng kháng thể), endorphin (chất dẫn truyền thần kinh), γ- globulin (ngăn cản sự viêm nhiễm), hormone sinh trưởng người (điều trị trẻ em bị bệnh còi), albumin huyết thanh người (điều trị chấn thương cơ thể), các nhân tố điều hòa miễn dịch, insulin, interferon (điều trị bệnh viêm nhiễm), interleukin (điều trị các bệnh nhiễm trùng và ung thư), lymphokine (phản ứng miễn dịch điều chỉnh), kháng thể đơn dòng (chẩn đoán hoặc phân phối thuốc), peptide hoạt hóa thần kinh (bắt chước các peptide điều khiển sự đau của cơ thể), các nhân tố hoạt hóa plasminogen của mô (hòa tan các cục máu đông), vaccine. Chăn nuôi-Thú y Phát triển các con giống sạch bệnh và mạnh khoẻ hơn, các gia súc cho thịt có sản lượng cao hơn. Trồng trọt Chuyển các tính trạng chống chịu stress, kháng côn trùng và chất diệt cỏ vào các loài cây trồng, phát triển các giống cây trồng có khả năng tăng quá trình quang hợp và cố định đạm, phát triển các thuốc trừ sâu sinh học và các vi khuẩn nhân không đóng băng (non-ice nucleating). Các hóa chất đặc Các amino acid, enzyme, vitamin, lipid, các chất thơm biệt được hydroxyl hóa, các polymer sinh học. Các ứng dụng môi Ngâm chiết khoáng, cô đặc kim loại, kiểm soát sự ô trường nhiễm, phân hủy chất thải độc và thu hồi dầu loang. Các hóa chất Acetic acid, acetone, butanol, ethanol, nhiều sản phẩm thương mại khác từ các quá trình biến đổi sinh khối. Điện tử sinh học Biosensor, biochip. Công nghệ tế bào 4
5. II. Công nghệ tế bào Các công nghệ DNA tái tổ hợp hoặc dung hợp tế bào được khởi đầu bởi những nghiên cứu thuần túy và các kết quả cuối cùng có thể phát triển thành một loại tế bào mới có thể sản xuất sản phẩm với số lượng ít ỏi ở qui mô phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các kết quả nói trên lại rất có ý nghĩa thương mại và vì thế nó đòi hỏi phải phát triển thành quy trình công nghiệp với một công nghệ khả thi và có hiệu quả kinh tế. Để phát triển một quá trình sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm thành một quy trình công nghiệp lớn, chúng ta không thể chỉ đơn thuần tăng kích thước của bình nuôi cấy (vessel) lên. Ví dụ: Ở quy mô phòng thí nghiệm là 100 mL, một bình tam giác nhỏ nuôi trên một máy lắc là phương thức lý tưởng để nuôi cấy tế bào. Nhưng đối với hoạt động ở quy mô lớn 2.000 L, chúng ta không thể sử dụng một bình nuôi khác có thể tích lớn hơn và lắc nó, mà cần phải thiết kế một hệ lên men (fermenter) hay còn gọi là nồi phản ứng sinh học (bioreactor) hiệu quả để nuôi cấy tế bào trong những điều kiện tối ưu nhất. Vì thế, công nghệ tế bào (một trong những lĩnh vực chính của công nghệ sinh học) có vai trò rất quan trọng trong thương mại hóa các sản phẩm của nó. Để minh họa vai trò của công nghệ tế bào, có thể xem một quá trình sinh học đặc trưng bao gồm các tế bào vi khuẩn như trình bày ở hình 1.1. Các nguyên liệu thô (thường là sinh khối) được xử lý và trộn với các thành phần cần thiết khác để tế bào có thể sinh trưởng tốt trong một hỗn hợp dịch lỏng, môi trường nuôi cấy được khử trùng để loại bỏ tất cả các cơ thể sống và đưa vào bình nuôi cấy hình trụ lớn, thiết bị đặc trưng với cánh khuấy, vách ngăn, hệ thống thông khí và các bộ phận cảm biến để điều chỉnh các điều kiện lên men. Một chủng vi sinh vật thuần khiết được đưa vào trong một bình nuôi cấy. Các tế bào khởi đầu sinh sản theo hàm mũ sau một thời gian nhất định của pha lag và đạt tới nồng độ tế bào cực đại khi môi trường đã bị sử dụng hết. Sự lên men sẽ dừng lại và các thành phần sẽ được hút ra để thu hồi sản phẩm và tinh sạch chúng. Quá trình này được hoạt động theo kiểu lên men mẻ (batch culture) hoặc liên tục (continuous culture). Khi tiến hành một quá trình sinh học (bioprocessing) trên quy mô lớn cần lưu ý: - Phải thu được các chất xúc tác sinh học tốt nhất (vi sinh vật, tế bào động vật, tế bào thực vật, hoặc enzyme) cho một quá trình mong muốn. Công nghệ tế bào 5
6. - Tạo ra môi trường tốt nhất có thể cho sự xúc tác bằng cách thiết kế các bioreactor/fermenter thích hợp và cho nó hoạt động trong một phương thức tối ưu. - Phân tách các sản phẩm mong muốn từ hỗn hợp phản ứng trong một phương thức kinh tế nhất. Các nhiệm vụ đặt ra bao gồm thiết kế và phát triển một quá trình sinh học. Các vấn đề cơ bản được đòi hỏi cho công việc này như sau: Nuôi cấy stock Nguyên liệuthô Nuôi cấy lắc Chuẩn bị môi trường Hệ lên men Khử trùng kết hạt Hệ lên men sảnxuất Không khí Thu hồi Tinh sạch Các sảnphẩm Xử lý nước thải Hình 1.1. Một quá trình sinh học đặc trưng. 1. Chúng ta mong đợi thay đổi cái gì Để trả lời câu hỏi này, cần phải có những hiểu biết về các khoa học cơ bản của quá trình công nghệ. Đó là vi sinh vật học, hóa sinh học, di truyền học, sinh học phân tử Chúng ta cần phải tìm hiểu các vấn đề này trong một phạm vi nhất định. Điều quan trọng ở đây là các chất xúc tác sinh học được chọn lọc hoặc sửa đổi di truyền phải thích hợp cho các hoạt động sản xuất ở quy mô lớn. Công nghệ tế bào 6
7. 2. Quá trình sinh học xảy ra với một tốc độ như thế nào Nếu một quá trình nhất định có thể sản xuất một sản phẩm, thì điều quan trọng cần biết là quá trình đó sẽ xảy ra với tốc độ như thế nào. Động học của quá trình sẽ chi phối các tốc độ phản ứng dưới ảnh hưởng của các điều kiện vật lý và hóa học nhất định. Chúng ta cần nắm vững hóa động học (chemical kinetics) để thiết kế nồi phản ứng (reactor) thích hợp. Các kỹ thuật tương tự được ứng dụng để giải quyết động học enzyme (enzyme kinetics) hoặc động học tế bào (cell kinetics). Để thiết kế một hệ lên men hiệu quả cho các chất xúc tác sinh học hoạt động, điều quan trọng cần biết là tốc độ phản ứng bị ảnh hưởng như thế nào bởi các điều kiện hoạt động không giống nhau. Điều này bao gồm cả nghiên cứu về nhiệt động học (thermodynamics), các hiện tượng vận chuyển, các tương tác sinh học, khả năng ổn định của các dòng tế bào vi sinh vật (hoặc tế bào động vật và thực vật) dùng làm nguyên liệu sản xuất 3. Hệ thống được hoạt động và điều chỉnh như thế nào để đạt được hiệu suất tối đa Để sự hoạt động và điều chỉnh hệ thống được tối ưu, chúng ta cần phải phát triển các bộ cảm biến trực tuyến (on-line sensor) chính xác. Thuật toán tối ưu trực tuyến cần được xây dựng và tối ưu hóa để tăng cường khả năng hoạt động của các quá trình sinh học và đảm bảo rằng những quá trình này được hoạt động một cách kinh tế nhất. 4. Các sản phẩm được phân tách như thế nào để có được sự tinh sạch cực đại và giá thành tối thiểu Đối với bước này, quá trình bio-downstream (phân tách sinh học), chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật phân tách khác nhau được phát triển trong các quá trình hóa học như chưng cất, hấp thụ, tách chiết, hấp phụ, sấy khô, lọc, kết tủa và ngâm chiết. Hơn nữa, song song với các kỹ thuật phân tách tiêu chuẩn này, chúng ta cần thiết phát triển các kỹ thuật mới thích hợp để phân tách các nguyên liệu sinh học. Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để phân tách hoặc phân tích các nguyên liệu sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm, như là sắc ký (chromatography), điện di (electrophoresis) và thẩm tách (dialysis). Các kỹ thuật này cần được nghiên cứu thêm sao cho chúng có thể hoạt động hiệu quả trên quy mô công nghiệp. Công nghệ tế bào 7
8. III. Quá trình sinh học Các ứng dụng công nghiệp của các quá trình sinh học là sử dụng các tế bào sống hoặc thành phần của chúng để thực hiện những thay đổi vật lý và hóa học. So với các quá trình hóa học truyền thống, các quá trình sinh học có những ưu điểm và nhược điểm như sau: 1. Các ưu điểm - Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng. Điều kiện phản ứng cho các quá trình sinh học là nhẹ nhàng-ôn hòa. Đặc trưng là nhiệt độ phòng, áp suất khí quyển và pH môi trường khá trung tính. Kết quả, sự hoạt động ít nguy hiểm và điều kiện sản xuất ít phức tạp hơn so với các quá trình hóa học đặc biệt. - Tính đặc hiệu. Một chất xúc tác enzyme có tính đặc hiệu cao và xúc tác chỉ một hoặc một số ít các phản ứng hóa học. Sự đa dạng của các enzyme hiện có có thể xúc tác cho một phạm vi rất rộng các phản ứng khác nhau. - Tính hiệu lực. Tốc độ của một phản ứng được xúc tác bằng enzyme thường nhanh hơn nhiều so với khi phản ứng này thực hiện nhờ các chất xúc tác không phải sinh học. Chỉ một lượng nhỏ enzyme được yêu cầu cũng đủ để sản xuất một hiệu quả mong muốn. - Các tài nguyên có thể đổi mới. Nguyên liệu thô chủ yếu của các quá trình sinh học là sinh khối (biomass) cung cấp cả bộ khung carbon lẫn năng lượng cần cho sự tổng hợp các hóa chất hữu cơ. - Công nghệ DNA tái tổ hợp. Là những kỹ thuật sửa đổi hệ thống di truyền nhằm nâng cao năng suất sinh học. Sự phát triển của những kỹ thuật này hứa hẹn các khả năng khổng lồ để cải thiện các quá trình sinh học. 2. Các nhược điểm - Các hỗn hợp sản phẩm phức tạp. Trong các trường hợp nuôi cấy tế bào (vi sinh vật, thực vật hoặc động vật). Các phản ứng đa enzyme xảy ra trong một chuỗi tuần tự hoặc song song, hỗn hợp sản phẩm cuối cùng chứa khối lượng tế bào, nhiều sản phẩm trao đổi chất phụ, và một phần còn lại của các chất dinh dưỡng ban đầu. Khối lượng tế bào cũng chứa các thành phần khác nhau của tế bào. - Các môi trường nước loãng. Các thành phần có giá trị thương mại chỉ được sản xuất với một lượng nhỏ trong môi trường nước nên sự phân Công nghệ tế bào 8
9. tách chúng là rất đắt tiền. Bởi vì các sản phẩm của các quá trình sinh học thường mẫn cảm với nhiệt, do đó các kỹ thuật phân tách truyền thống không thể sử dụng mà phải phát triển các kỹ thuật phân tách mới cho các mục đích sản xuất trên quy mô lớn. - Sự nhiễm bẩn. Hệ thống lên men có thể dễ dàng bị nhiễm bẩn, do nhiều vi khuẩn và nấm mốc có thể sinh trưởng rất mạnh trong hầu hết các môi trường nuôi cấy. Vấn đề trở nên khó khăn hơn khi nuôi cấy tế bào động vật và thực vật bởi vì chúng cần một thời gian sinh trưởng dài ngày và tốc độ sinh trưởng của chúng chậm hơn rất nhiều so với tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn và nấm mốc trong môi trường nhiễm bẩn. - Khuynh hướng hay biến đổi. Các tế bào có khuynh hướng đột biến do sự thay đổi môi trường và có thể mất đi một vài đặc điểm gây thiệt hại cho sự thành công của quá trình sản xuất. Các enzyme tương đối mẫn cảm hoặc là các phân tử không ổn định và đòi hỏi sự cẩn thận trong khi sử dụng chúng. IV. Định nghĩa sự lên men Thông thường, sự lên men (fermentation) được định nghĩa là quá trình sản xuất ethanol hoặc lactic acid từ glucose (C6H12O6). - Quá trình sản xuất ethanol. Là quá trình mà một số nấm men phân giải các loại đường trong môi trường yếm khí để sản xuất rượu ethanol. - Quá trình sản xuất lactic acid. Là quá trình mà một số enzyme như lactodehydrogenase phân giải các chất trung gian như NADH (trong đường phân yếm khí) thành lactic acid chứ không thành ethanol. Lên men lactic được dùng trong công nghệ chế biến sữa để làm phomát và sữa chua. nấm men C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 các enzyme C6H12O6 2CH3CHOHCOOH Tuy nhiên, ngày nay người ta đã mở rộng định nghĩa cho khái niệm này như sau: “Lên men là quá trình sử dụng các enzyme biến đổi những hợp chất hữu cơ” theo Webster’s New College Dictionary (A Merriam-Webster Công nghệ tế bào 9
10. 1977) và đây là định nghĩa mà chúng tôi sử dụng trong giáo trình này dùng để mô tả các quá trình nuôi cấy các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật trong các hệ lên men hay các nồi phản ứng sinh học. Tài liệu tham khảo/đọc thêm 1. Atkinson B and Mavituna F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. 2nd ed. Stockton Press, New York, USA. 2. Flickinger MC and Drew SW. 1999. Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation. John Wiley & Sons, New York, USA. 3. Lee JM. 2001. Biochemical Engineering. Prentice Hall, Inc. USA. 4. Ratledge C and Kristiansen B. 2002. Basic Biotechnology. Cambridge University Press, UK. 5. Shuler ML and Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering-Basic Concepts. 2nd ed. Prentice Hall, Inc. New Jersey, USA. Công nghệ tế bào 10
11. Chương 2 Sinh trưởng và bất động của tế bào I. Xác định sinh trưởng của tế bào Trong các hệ thống sinh học, mọi sự sinh trưởng đều có thể được định nghĩa là sự tăng tuần tự của các thành phần hóa học. Tăng đơn thuần khối lượng không thể phản ánh đầy đủ sự sinh trưởng, do tế bào có thể chỉ tăng hàm lượng các sản phẩm dự trữ của chúng như là glycogen, poly-β- hydroxybutyrite. Sự sinh trưởng cân bằng (balanced growth) được định nghĩa là sự sinh trưởng mà trong suốt quá trình đó sự nhân đôi sinh khối xảy ra cùng với sự nhân đôi của tất cả các đặc tính xác định khác của quần thể như là protein, DNA, RNA và nước nội bào. Mặt khác, quá trình nuôi cấy trải qua sự sinh trưởng cân bằng duy trì một thành phần hóa học không đổi. Trong một môi trường dinh dưỡng thích hợp mà sau đó tế bào sẽ trở nên thích nghi thì nó sẽ ở trong trạng thái sinh trưởng cân bằng. Tiếp theo quá trình sinh trưởng, cần phải xác định số lượng tế bào. Sự sinh trưởng của tế bào có thể được xác định bằng số lượng tế bào, sinh khối tế bào hoặc hoạt tính tế bào. 1. Xác định số lượng tế bào 1.1. Đếm bằng kính hiển vi Số lượng tế bào trong quần lạc có thể được đếm dưới kính hiển vi bằng cách đếm các tế bào được đưa vào trong một buồng đếm đặc biệt. Có hai loại buồng đếm được dùng để đếm số lượng tế bào trong một mẫu dịch lỏng: - Haemocytomete. Buồng đếm tế bào máu dùng cho những tế bào có đường kính ≥ 3 µm (Hình 2.1). - Petroff-Hausser counting chamber. Buồng đếm Petroff-Hausser được dùng chủ yếu cho vi khuẩn. Cả hai loại buồng đếm có các đường kẻ ô vuông đặc trưng trên bề mặt của tấm kính (lam kính). Khung đỡ trên mỗi mặt của tấm đếm (grid) giữ một tấm kính phủ (cover glass) cách tấm đếm một khoảng cách đã biết (ví dụ: 0,1 mm) sao cho thể tích của ô vuông được biết chính xác. Một mẫu dịch huyền phù tế bào cần đếm được cho chảy qua dưới tấm phủ và làm Công nghệ tế bào 11
12. đầy buồng đếm. Sau đó, đếm số lượng tế bào trên một đơn vị diện tích của đường kẻ dưới kính hiển vi. Các dịch huyền phù đậm đặc cũng có thể đếm được nếu chúng được pha loãng thích hợp. Một số ưu điểm của phương pháp đếm trực tiếp: - Chỉ cần các thiết bị tối thiểu. - Các kết quả thu được nhanh. - Có thể quan sát các đặc điểm hình thái của cơ thể. Đưa mẫu vào Tấm kính phủ Độ sâu của mẫu 0,1 mm Buồng đếm Khung đỡ tấm kính Hình 2.1. Buồng đếm haemocytometer. Một số nhược điểm của phương pháp đếm trực tiếp: - Thường rất khó phân biệt các tế bào chết và tế bào sống. - Không thích hợp cho các dịch huyền phù có mật độ thấp. - Các tế bào có kích thước nhỏ thường khó quan sát dưới kính hiển vi và có thể không thấy khi đếm. - Phương pháp đếm thực tế gây mỏi mệt và nhầm lẫn trong quá trình đếm. - Không thích hợp đối với các tế bào xếp thành cụm như là mycelium (thể sợi nấm). 1.2. Đếm các tế bào phát triển trên đĩa nuôi cấy (petri dish) Các tế bào phát triển được định nghĩa là tế bào có thể phân chia và tạo ra khuẩn lạc. Có hai cách để thực hiện phương pháp đếm trên đĩa petri: phương pháp đĩa trải (spread plate) và phương pháp đĩa rót (pour plate). Với phương pháp đĩa trải, một thể tích nhỏ hơn 100 µL được trải khắp bề mặt agar. Với phương pháp đĩa rót, mẫu vật được trộn với agar nóng Công nghệ tế bào 12
13. chảy (đã để nguội đến khoảng 60oC) và được rót trên đĩa vô trùng. Các đĩa sau đó được nuôi cho đến khi xuất hiện khuẩn lạc, và số lượng khuẩn lạc được đếm trực tiếp. Điều quan trọng là số lượng các khuẩn lạc phát triển trên đĩa phải không quá lớn hoặc không quá nhỏ. Để thu được một số lượng tế bào thích hợp trên một đơn vị diện tích thì mẫu vật phải được pha loãng. Trường hợp cần pha loãng nhiều, người ta thường sử dụng kỹ thuật pha loãng tuần tự (serial dilution). Ví dụ: để thực hiện pha loãng 1/106, thì có thể thực hiện ba lần pha loãng liên tiếp 1/100 hoặc sáu lần pha loãng liên tiếp 1/10. 1.3. Đếm bằng máy đếm Để tránh sự đơn điệu khi đếm trực tiếp bằng kính hiển vi, có thể sử dụng phương pháp đếm bằng máy đếm. Kỹ thuật này cho phép không chỉ đếm được số lượng tế bào, mà còn đo cả kích thước tế bào. Nhược điểm của phương pháp này là nó không thể phân biệt giữa tế bào và các phần tử bẩn khác. Kỹ thuật này cũng khó sử dụng với các cơ thể dạng chuỗi và không đem lại kết quả tốt với các cơ thể dạng hệ sợi (ví dụ như nấm). 2. Xác định sinh khối tế bào 2.1. Trọng lượng khô của tế bào Trọng lượng khô tế bào có thể được xác định trực tiếp bằng cách lấy một lượng tối thiểu của dịch huyền phù tế bào để ly tâm. Sau khi đổ thể nổi, tế bào được rửa bằng nước cất để loại bỏ tất cả các chất hòa tan. Dịch huyền phù được ly tâm một lần nữa và các tế bào sau khi kết đặc lại được sấy khô trong tủ sấy và cân để xác định trọng lượng. Đây là phương thức trực tiếp nhất để xác định số lượng sinh khối tế bào. Tuy nhiên, cách xác định như thế tốn nhiều thời gian và dễ bỏ qua những thay đổi nhỏ của sinh khối tế bào. Kỹ thuật này chỉ có thể sử dụng đối với những dịch huyền phù dày đặc và tế bào phải được rửa sạch hoàn toàn khỏi những chất ngoại sinh bám vào. 2.2. Độ đục của dịch huyền phù tế bào Sinh khối tế bào cũng có thể được xác định bằng phương pháp quang học thông qua xác định lượng ánh sáng bị tán xạ bởi dịch huyền phù tế bào. Kỹ thuật này dựa trên cơ sở lập luận rằng các phần tử nhỏ tán xạ ánh sáng một cách tương xứng, trong các giới hạn nhất định, tới nồng độ của chúng. Khi tia sáng xuyên qua dịch huyền phù của tế bào, thì lượng ánh sáng truyền Công nghệ tế bào 13
14. qua bị giảm đi do kết quả của sự tán xạ, như vậy đó chính là phương pháp xác định mật độ tế bào. Việc đo độ đục của dịch huyền phù tế bào thường được thực hiện trên máy quang phổ để đọc các đơn vị hấp thụ (A). Khả năng hấp thụ (absorbency) được định nghĩa là số logarithm của tỷ lệ giữa cường độ ánh sáng va chạm vào dịch huyền phù tế bào (Io) và cường độ ánh sáng được truyền qua bởi dịch huyền phù (I): I A = log o I Đường cong chuẩn (standard curve) có thể thu được bằng cách đo độ hấp thụ (A) của mẫu với nồng độ tế bào đã biết trước. Việc đo thường được thực hiện ở bước sóng từ 600-700 nm. 3. Các phương pháp gián tiếp Phương pháp gián tiếp để xác định sinh khối tế bào dựa trên phép tính hệ số tỷ lượng toàn phần (overall stoichiometry) cho sự sinh trưởng và tạo thành sản phẩm, có thể được trình bày trong một dạng chung như sau: nguồn carbon + nguồn nitrogen + phosphate + O2 → sinh khối tế bào + CO2 + H2O + sản phẩm + nhiệt Sự thay đổi sinh khối tế bào có thể được kiểm soát gián tiếp bằng cách xác định sự tiêu thụ chất dinh dưỡng, tạo thành sản phẩm, các thành phần tế bào, giải phóng nhiệt hoặc các tính chất vật lý khác của dịch nuôi cấy tế bào. 3.1. Sự tiêu thụ chất dinh dưỡng Cần chọn một chất dinh dưỡng mà chất này không bao giờ được sử dụng để tổng hợp sản phẩm trao đổi chẩt. Phosphate, sulfate hoặc magnesium có thể là những chọn lựa tốt. Khi sinh khối tế bào là sản phẩm chính, thì nồng độ của nguồn carbon còn lại trong môi trường có thể được đo để đánh giá sinh khối tế bào. Công nghệ tế bào 14
15. 3.2. Tạo thành các sản phẩm Điều quan trọng là cần kiểm tra sản phẩm tạo thành có được kết hợp với sự sinh trưởng hay không. Một số sản phẩm được tạo thành sau khi sinh khối tế bào đạt tới pha tĩnh (stationary phase) của chu kỳ sinh trưởng và vì thế, không được kết hợp với sự sinh trưởng. Sự giải phóng CO2 có thể được xác định và nó có quan hệ tỷ lượng đối với sự sinh trưởng của tế bào. Một sản phẩm hoàn toàn chung cho mọi phản ứng lên men là ion H+. Lượng kiềm bổ sung vào dịch lên men sẽ duy trì độ pH thích hợp cho sinh trưởng. 3.3. Các thành phần tế bào Đối với các nuôi cấy trải qua sự sinh trưởng cân bằng, thì các thành phần tế bào thuộc nhóm đại phân tử như là protein, RNA và DNA có thể được xác định thay cho sinh khối tế bào. Tuy nhiên, cần phải thận trọng do tỷ lệ của những nguyên liệu này trong tế bào có thể thay đổi theo thời gian nếu nuôi cấy không trải qua sự sinh trưởng cân bằng. 3.4. Giải phóng nhiệt Sự sinh trưởng của tế bào phát ra nhiệt. Lượng nhiệt phát ra tùy thuộc vào hiệu suất sử dụng năng lượng carbon. Vì thế, việc xác định nhiệt độ của hệ lên men có thể kết hợp gián tiếp với sự sinh trưởng của tế bào. Tuy nhiên, lượng nhiệt toàn phần tích lũy trong hệ lên men phụ thuộc vào hiệu quả phối hợp của các nguồn sinh nhiệt và mất nhiệt khác nhau như: nhiệt từ quá trình khuấy và bay hơi, nhiệt tiêu hao xung quanh thành của hệ lên men và nhiệt nhạy (sensible heat) trong luồng không khí. Vì thế, để xác định sinh trưởng bằng sự giải phóng nhiệt, cần phải thiết lập cân bằng năng lượng của hệ lên men mặc dù đây một công việc không dễ dàng. 3.5. Độ nhớt Sinh trưởng của cơ thể hệ sợi (nấm) hoặc sự tạo thành polysaccharide đã làm tăng độ nhớt của dịch lên men (fermentation broth). Vì thế, việc xác định độ nhớt của dịch lên men rất hữu ích trong các quá trình lên men ở quy mô công nghiệp. Độ nhớt biểu kiến đo được ở tốc độ dịch chuyển cố định có thể được dùng để đánh giá nồng độ tế bào hoặc nồng độ sản phẩm. Công nghệ tế bào 15
16. II. Bất động tế bào Phương pháp bất động (immobilization) các tế bào hoàn chỉnh có nhiều ưu điểm hơn các kỹ thuật nuôi cấy truyền thống. Bằng cách bất động tế bào, việc thiết kế quy trình đơn giản hơn khi các tế bào được gắn với các phần tử lớn hoặc trên các bề mặt được phân tách dễ dàng khỏi dòng sản phẩm. Điều này đảm bảo hoạt động liên tục của hệ lên men không bị nguy cơ rửa trôi tế bào. Sự bất động cũng có thể cung cấp các điều kiện có lợi cho sự phân hóa tế bào và sự truyền đạt thông tin giữa các tế bào, bằng cách ấy đã thúc đẩy sản phẩm có sản lượng các chất trao đổi thứ cấp cao. Sự bất động có thể bảo vệ tế bào bằng cách làm giảm các sự cố liên quan tới lực trượt (shear forces) gây tổn thương tế bào. Các phương pháp bất động tế bào có thể được phân chia thành bốn nhóm chính được tóm tắt ở bảng 2.1. 1. Gắn lên bề mặt Các tế bào có thể gắn lên bề mặt của mảnh gỗ nhỏ, collagen, microcarrier, hoặc các nhựa tổng hợp trao đổi ion (resin). Một ví dụ của kiểu bất động này là sử dụng các microcarrier cho các tế bào động vật. Ưu điểm chính của microcarrier là nó cung cấp một diện tích bề mặt lớn để gắn tế bào. Vật liệu cho microcarrier bao gồm các nhựa tổng hợp trao đổi ion, các hạt nhỏ dựa trên cơ sở dextran được bọc bằng gelatin, các hạt polyacrylamide, các hạt polystyrene, các hạt thủy tinh rỗng, các hạt cellulose hình trụ, và các giọt floruacarbon nhỏ được ổn định bằng polylysine. Hiện nay, các microcarrier dựa trên dextran được sử dụng rộng rãi nhất để bất động tế bào động vật. 2. Tạo thể xốp Phương pháp này cho phép các tế bào khuếch tán trong các thể xốp đã có sẵn như cordierite và pore glass (hạt thủy tinh có nhiều lỗ rỗng nhỏ), ở trong đó chúng sẽ sinh trưởng và được giữ lại. Ưu điểm chính của phương pháp này là các vật liệu tạo thể xốp đã có sẵn chống chịu được sự phân hủy trong các bình nuôi có khuấy từ hơn các loại vật liệu tạo thể xốp khác (alginate, acrylamide ), và thể xốp thường không có hại đối với tế bào. Tuy nhiên, phương pháp này gặp khó khăn trong việc hướng tới nồng độ cao của tế bào do thể tích lỗ thủy tinh (pore) bị giới hạn bởi chúng được làm sẵn bằng các loại vật liệu tạo thể xốp đặc trưng. Công nghệ tế bào 16
17. Bảng 2.1. Các phương pháp bất động tế bào. Phương pháp Vật liệu Gắn lên bề mặt Mảnh gỗ mỏng, collagen1, microcarrier2, các nhựa trao đổi ion, các oxide kim loại Tạo thể xốp Cordierite, pore glass, acrylamide, alginate, collagen, κ-carrageenan Bao vi thể Polylysine, ethylcellulose, emulsion3, màng tổng hợp Tự kết khối Các tiểu thể hệ sợi, polyelectrolytes4, nhân tố liên kết ngang Một phương thức khác là bọc các tế bào bằng thể xốp được tạo thành trong điều kiện in situ. Các vật liệu thuộc gelatin khác nhau như acrylamide, alginate, collagen, và κ-carrageenan, có thể được trộn với dịch huyền phù tế bào và tạo gel trong các dạng và kích thước khác nhau. Một phương thức đơn giản khác là tạo các hạt hình cầu dạng gel alginate-calcium là như sau: Các tế bào dịch huyền phù sau khi cô lại sẽ được trộn với alginate để tạo ra một nồng độ alginate cuối cùng từ 1-3% (w/v) và hỗn hợp alginate-tế bào được bơm bằng kim tiêm thuốc vào dung dịch calcium chloride. Các hạt được tạo thành ngay tức thời có đường kính từ 1-5 mm tùy thuộc vào nồng độ tế bào và alginate của dung dịch và kích thước của mũi kim tiêm. Cần lưu ý thêm là phải duy trì sự vô trùng trong suốt quá trình bất động tế bào. Nhược điểm chính của việc sử dụng alginate để bất động tế bào là để lọt các tế bào từ sự phân chia tế bào xuất hiện bên trong các hạt riêng rẽ. Việc lọt tế bào có thể được giảm thiểu hoặc bằng cách tăng nồng độ của alginate hoặc calcium chlorite trong các hạt hoặc bằng cách tạo ra các hạt 1 Collagen: chất tạo keo. 2 Microcarrier: một tiểu thể có kích thước hiển vi (thường là một hạt polymer đường kính khoảng 200 µm) để các tế bào trong nuôi cấy dịch huyền phù gắn vào và sinh trưởng. 3 Emulsion: dạng nhũ tương. 4 Polyelectrolytes: các chất đa điện phân. Công nghệ tế bào 17
18. nhỏ. Tuy nhiên, việc tăng nồng độ của alginate hoặc calcium chloride trong hạt có thể làm giảm tốc độ khuếch tán cơ chất thông qua gel và có thể ảnh hưởng đến khả năng sống sót của các tế bào được bao bọc. 3. Sử dụng bao vi thể Các tế bào có thể được bất động bằng các bao vi thể (microcapsule) có màng hoặc màng bán thấm không cố định hoặc cố định. Ưu điểm của kỹ thuật đóng vỏ bao là tạo một diện tích bề mặt lớn cho sự tiếp xúc của cơ chất và tế bào. Màng bán thấm chỉ cho đi qua một cách chọn lọc những thành phần có trọng lượng phân tử thấp. Các màng dạng sợi rỗng tạo thành một cấu trúc hình ống thường được sắp hàng như là các bó sợi song song bên trong một buồng hình trụ. Các tế bào được giữ lại trên thành của các sợi rỗng trong khi môi trường dinh dưỡng được thông khí luân chuyển quanh các sợi. Loại màng này có thể cung cấp thêm sự bảo vệ chống nhiễm bẩn môi trường. Tuy nhiên, nhược điểm chính của hệ thống màng này là giá thành cao, sự tắc nghẽn của màng đã làm trở ngại cho việc chuyển khối và gây khó khăn trong việc thông khí. 4. Tự kết khối Các tế bào tự kết khối hoặc kết thành cụm như len cũng có thể được xem như là các tế bào được bất động do kích thước lớn của chúng có ưu điểm tương tự như sự bất động bằng các phương pháp khác. Trong khi nấm mốc sẽ tạo ra các tiểu thể tự nhiên, thì các tế bào vi khuẩn hoặc nấm men lại cần đến sự kết cụm. Các nhân tố kết thành cụm nhân tạo hoặc các nhân tố liên kết ngang (cross-linkers) có thể được bổ sung để tăng cường quá trình. III. Một số thí nghiệm điển hình 1. Đường cong sinh trưởng của nấm men Trong thí nghiệm này, chủng nấm men sẽ được nuôi cấy trong bình tam giác thuỷ tinh, và sự thay đổi nồng độ tế bào sẽ được kiểm soát bằng cách dùng ba kỹ thuật khác nhau: đếm dưới kính hiển vi, xác định khối lượng khô, độ đục của dịch huyền phù tế bào. Công nghệ tế bào 18
19. 1.1. Nguyên liệu - Một chủng nấm men bất kỳ sinh trưởng trong nuôi cấy dịch huyền phù. Chúng ta có thể thu chủng nấm men từ một phòng thí nghiệm vi sinh vật hoặc mua một chủng đặc biệt từ công ty. - Glucose, dịch chiết nấm men, NH4Cl, MgSO4, CaCl2 và chất chống tạo bọt để pha môi trường. - Hai bình tam giác 125 mL - Pipette vô trùng - Đèn Bunsen - Nồi khử trùng - Tủ ấm - Hemocytometer - Ly tâm - Cân hóa chất - Máy quang phổ 1.2. Phương thức tiến hành - Chuẩn bị môi trường nuôi cấy theo bảng 2.2. Rót 50 mL/bình vào 2 bình tam giác loại 125 mL. Bảng 2.2. Môi trường sinh trưởng đặc trưng của nấm men. Glucose 100 g Dịch chiết nấm men 8,5 g NH4Cl 1,32 g MgSO4 0,11 g CaCl2 0,06 g Chất chống tạo bọt 0,2 mL Nước bổ sung vừa đủ 1 L Công nghệ tế bào 19
20. - Nút bình tam giác bằng một trong số vật liệu sau: giấy nhôm, nút plastic chịu nhiệt, nắp inox, hoặc bông không thấm nước. - Khử trùng bình tam giác đựng môi trường ở 121oC trong 20 phút. - Tiếp mẫu (inoculate) 1 mL dịch nuôi cấy nấm men trước đó vào bình tam giác chứa môi trường vô trùng. Tiến hành cẩn thận để khỏi bị nhiễm bẩn pipette, nắp đậy và bình tam giác trong suốt quá trình tiếp mẫu. Để giảm thiểu cơ hội nhiễm bẩn, nên đốt nắp đậy và cổ của bình tam giác sau khi lấy nắp ra để cấy nấm men vào. - Đặt bình tam giác vào trong tủ ấm ở 37oC. - Lấy 2 mL mẫu ở các khoảng thời gian khác nhau trong quá trình nuôi cấy để xác định nồng độ tế bào bằng cách đếm trên kính hiển vi, xác định trọng lượng khô và đo độ đục (mật độ quang) bằng máy quang phổ. Thời gian lấy mẫu phải được sắp xếp sao có thể thu được cho đường cong sinh trưởng tốt thể hiện cả ba phase sinh trưởng (xem chương 3). Trước khi lấy mẫu phải trộn tất cả các thành phần trong bình tam giác bằng cách lắc. 2. Đường cong sinh trưởng của thực vật 2.1. Nguyên liệu - Một dòng tế bào dịch huyền phù của thực vật sinh trưởng tốt. Phương thức sau đây dựa trên cơ sở nuôi cấy tế bào thuốc lá. Nếu chọn dòng tế bào khác thì cần thay đổi môi trường. - Hỗn hợp muối khoáng của Murashige-Skoog (1962) (Bảng 7.2), 2,4- dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), KH2PO4, inositol, thiamine.HCl, và sucrose để pha chế môi trường. - Hai bình tam giác 125 mL - Pipette loại miệng rộng vô trùng (10 mL) - Tủ nuôi tế bào thực vật kèm máy lắc - Cân hóa chất - Ly tâm - Eppendorf tube 2.2. Phương thức tiến hành - Chuẩn bị môi trường muối khoáng của Murashige-Skoog, 0,2 mg/L 2,4-D, 0,18 g/L KH2PO4, 0,1 g/L inositol, 1 mg/L thiamine.HCl và 30 g/L Công nghệ tế bào 20
21. sucrose5. Điều chỉnh pH tới 5,8 bằng KOH 1N và phân phối môi trường vào hai bình tam giác loại 125 mL, sao cho mỗi bình tam giác chứa 30 mL. - Đậy nắp bình tam giác và khử trùng ở 121oC trong 20 phút. - Cấy vào bình tam giác chứa 30 mL môi trường với 1,5 mL của dịch huyền phù tế bào 7 ngày tuổi và đặt trong tủ nuôi tế bào thực vật có máy lắc và lắc 150 vòng/phút, nhiệt độ nuôi 27oC, chiếu sáng 8 giờ/ngày ở cường độ 2.000 lux. - Lấy 1,5 mL dịch nuôi cấy mỗi ngày đã được trộn kỹ và cho vào Eppendorf tube để cân, ly tâm tube ở 9.000 vòng/phút trong 4-5 phút và loại thể nổi. Cân lại tube và tính toán phần trăm trọng lượng tế bào ẩm. Đặt tube trong tủ sấy ở 70oC trong hai ngày và cân lại để tính toán trọng lượng khô. - Vẽ đồ thị sự thay đổi nồng độ tế bào khô và tươi (ẩm) theo thời gian. 3. Bất động tế bào thực vật 3.1. Nguyên liệu - 30 mL tế bào dịch huyền phù thuốc lá sinh trưởng bằng phương pháp đã mô tả trong thí nghiệm trước. - Alginate - CaCl2 - Bơm nhu động - Nồi áp suất - Cân hóa chất 3.2. Phương thức tiến hành - Trộn 0,875 g alginate, 5 mL môi trường nuôi cấy thực vật và 25 mL nước và khử trùng. - Đợi cho 30 mL dịch nuôi cấy huyền phù của tế bào thực vật lắng xuống, loại bỏ thể nổi. Bước này thường mất khoảng 10 phút. - Bổ sung hỗn hợp alginate và trộn với các tế bào đã được cô lại. 5 Môi trường này chỉ có tính chất tham khảo. Thông thường các loài thực vật khác nhau với các mục đích nuôi cấy khác nhau, sẽ có các nhu cầu dinh dưỡng khác nhau. Khi đó, chúng ta phải thiết kế các môi trường nuôi cấy có tính đặc hiệu cao hơn. Công nghệ tế bào 21
22. - Bơm hỗn hợp alginate-tế bào qua một ống silicon vô trùng (1,6 mm ID) và cung cấp từng giọt vào trong bình tam giác chứa 200 mL dung dịch vô trùng của CaCl2 0,12 M. Các giọt nhỏ sẽ phản ứng ngay lập tức với CaCl2 để tạo ra các hạt hình cầu có đường kính khoảng 3,75-4,5 mm. - Giữ các hạt trong dung dịch CaCl2 khoảng 1 giờ để đảm bảo phản ứng kết tủa đã xảy ra hoàn toàn. - Cấy vào bình tam giác chứa 30 mL môi trường thực vật với khoảng 30 hạt tế bào thực vật đã được bất động và đặt nó trong tủ nuôi tế bào thực vật có máy lắc và lắc 150 vòng/phút, nhiệt độ nuôi 27oC, chiếu sáng 8giờ/ngày ở cường độ 2.000 lux. - Chúng ta có thể xác định nồng độ tế bào khô và ẩm của các tế bào tự do trong dịch huyền phù và các tế bào được bất động trong suốt quá trình nuôi cấy mẻ. Để xác định nồng độ tế bào của các tế bào được bất động, cần phải hòa tan các hạt trong potassium phosphate 1 M trong 24 giờ. Tài liệu tham khảo/đọc thêm 1. Atkinson B and Mavituna F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. 2nd ed. Stockton Press, New York, USA. 2. Flickinger MC and Drew SW. 1999. Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation. John Wiley & Sons, New York, USA. 3. Lee JM. 2001. Biochemical Engineering. Prentice Hall, Inc. USA. 4. Ratledge C and Kristiansen B. 2002. Basic Biotechnology. Cambridge University Press, UK. 5. Shuler ML and Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering-Basic Concepts. 2nd ed. Prentice Hall, Inc. New Jersey, USA. 6. Vogel HC and Todaro CL. 1997. Fermentation and Biochemical Engineering Handbook (Principles, Process Design, and Equipment). 2nd ed. Noyes Publications. New Jersey, USA. Công nghệ tế bào 22
23. Chương 3 Động học sinh trưởng của tế bào I. Mở đầu Hiểu biết đầy đủ động học sinh trưởng của các tế bào thực vật, động vật và vi sinh vật là rất cần thiết để thiết kế và hoạt động các hệ lên men. Động học tế bào có quan hệ với tốc độ sinh trưởng tế bào và chịu ảnh hưởng của các điều kiện vật lý và hóa học. Động học tế bào là kết quả của hệ thống các phản ứng hóa sinh và các quá trình vận chuyển phức tạp, bao gồm nhiều pha và các hệ thống nhiều thành phần. Trong suốt thời gian sinh trưởng, hỗn hợp không đồng nhất của các tế bào già và non thay đổi liên tục và tự thích nghi với môi trường dinh dưỡng là yếu tố cũng thay đổi liên tục trong các điều kiện vật lý và hóa học. Nói chung, mô hình toán học chính xác của động học sinh trưởng là không có thể có được. Thậm chí một mô hình thực tế cũng khó tiếp cận bởi vì nó có thể chứa nhiều thông số không thể xác định. Vì thế, chúng ta cần giả định có thể đạt được những mô hình đơn giản như vậy sẽ hữu ích hơn cho việc thiết kế hệ thống lên men (xem chương 4) và dự báo hiệu suất. Các mô hình khác nhau có thể được phát triển trên cơ sở các giả định về các thành phần và quần thể tế bào như trình bày trong bảng 3.1. Ngoài các giả định đối với tế bào, môi trường được thiết kế sao cho chỉ một thành phần có thể giới hạn tốc độ phản ứng, còn tất cả các thành phần khác hiện diện ở các nồng độ đủ cao mà những thay đổi nhỏ của chúng không ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phản ứng. Các hệ thống lên men cũng được kiểm soát sao cho các thông số môi trường như pH, nhiệt độ và nồng độ oxygen hòa tan được duy trì ở một mức độ không đổi. Trong chương này, các phương trình động học tế bào bắt nguồn từ mô hình được phân phối, không cấu trúc. Các phương trình này được ứng dụng để thiết kế và phân tích các hệ lên men lý tưởng. Công nghệ tế bào 23
24. Bảng 3.1. Các mô hình khác nhau của động học tế bào. Các thành phần tế bào Quần thể Không cấu trúc Được cấu trúc (unstructured) (structured) Được phân phối Các tế bào được đại diện Các tế bào bao gồm nhiều (distributed) bởi một thành phần đơn, thành phần phức tạp phân phân phối không đồng đều phối không đồng đều trong trong quá trình nuôi cấy. quá trình nuôi cấy. Bị cô lập Các tế bào được đại diện Các tế bào bao gồm nhiều (segregated) bởi một thành phần đơn, và thành phần phức tạp và tạo tạo thành một hỗn hợp thành hỗn hợp không đồng không đồng nhất. nhất. II. Định nghĩa Trước tiên, chúng ta hãy định nghĩa một số thuật ngữ dùng cho sinh trưởng của tế bào. Nếu đề cập đến nồng độ tế bào mà không kèm theo bất kỳ một ghi chú đặc điểm nào, thì nó có thể được hiểu theo nhiều nghĩa khác nhau. Đó có thể là số lượng tế bào, trọng lượng tươi tế bào, hoặc trọng lượng khô tế bào trên một đơn vị thể tích. Trong chương này, chúng ta thống nhất các thuật ngữ sau: CX: nồng độ tế bào, trọng lượng khô tế bào trên một đơn vị thể tích. CN: mật độ số lượng tế bào, số lượng tế bào trên một đơn vị thể tích. ρ: mật độ tế bào, trọng lượng tươi tế bào trên một đơn vị thể tích của khối lượng tế bào. Từ đó, có thể định nghĩa tốc độ sinh trưởng của tế bào theo một số cách khác nhau như sau: dCX/dt: sự thay đổi nồng độ khô của tế bào theo thời gian. rX: tốc độ sinh trưởng của tế bào trên cơ sở trọng lượng khô. dCN/dt: sự thay đổi mật độ số lượng tế bào theo thời gian. rN: tốc độ sinh trưởng của tế bào trên cơ sở số lượng. δ: tốc độ phân chia của tế bào trên cơ sở số lượng d log2 CN / dt Công nghệ tế bào 24
25. Dường như dCX / dt và rX luôn luôn giống nhau, nhưng thực ra không phải như vậy. Giá trị dCX / dt là sự thay đổi nồng độ tế bào trong hệ lên men, là yếu tố có thể bao gồm hiệu quả của tốc độ dòng chảy đi vào và đi ra, sự tái sinh tế bào, và các điều kiện hoạt động khác của hệ lên men. Trong khi đó rX là tốc độ sinh trưởng thực tế của tế bào. Hai giá trị này chỉ giống nhau trong trường hợp hoạt động lên men mẻ. Tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào và tốc độ sinh trưởng dựa trên trọng lượng tế bào không nhất thiết phải giống nhau, bởi vì kích thước trung bình của các tế bào có thể rất khác nhau khi chuyển từ pha sinh trưởng này đến pha sinh trưởng khác. Khi sinh khối của một tế bào riêng biệt tăng lên mà không có sự phân chia, thì tốc độ sinh trưởng dựa trên trọng lượng tế bào cũng tăng lên, trong khi tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào lại giữ nguyên. Tuy nhiên, trong suốt thời gian sinh trưởng theo hàm mũ, pha sinh trưởng mà chúng ta quan tâm nhất dưới quan điểm của công nghệ, thì tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào và tốc độ sinh trưởng dựa trên trọng lượng tế bào có thể được giả định là tương đương nhau. Trong một số trường hợp tốc độ sinh trưởng bị nhầm lẫn với tốc độ phân chia, là khái niệm được định nghĩa như là tốc độ phân chia tế bào trên một đơn vị thời gian. Nếu tất cả tế bào trong bình nuôi cấy ở thời điểm t = 0 (CN = CNo) phân chia chỉ sau một thời gian nhất định, thì quần thể tế bào sẽ tăng lên C ×2 lần. Nếu các tế bào được phân chia n lần sau thời N 0 gian t, thì số lượng tổng số của tế bào sẽ là: C = C × 2n (3.1) N N0 Và tốc độ phân chia trung bình là: n δ = (3.2) t Vì n = log C − log C theo phương trình 3.1, nên tốc độ phân chia 2 N 2 N 0 trung bình sẽ là: 1 δ = (log C − log C ) (3.3) t 2 N 2 N0 Và tốc độ phân chia ở thời gian t là: Công nghệ tế bào 25
26. d log C δ = 2 N (3.4) dt Vì thế, tốc độ sinh trưởng (được định nghĩa là sự thay đổi số lượng tế bào theo thời gian) chính là độ dốc của đường cong CN theo t. Trong khi đó, tốc độ phân chia là độ dốc của đường cong log2CN theo t. Như đã giải thích, tốc độ phân chia là hằng số trong suốt thời gian sinh trưởng theo hàm mũ, trong khi đó tốc độ sinh trưởng lại không như vậy. Vì thế, hai khái niệm này không được nhầm lẫn với nhau. III. Chu kỳ sinh trưởng của nuôi cấy mẻ Nếu nuôi cấy các vi sinh vật đơn bào trong môi trường vô trùng sạch và đo mật độ số lượng tế bào theo thời gian thì trên đồ thị của nó ta có thể thấy có sáu pha sinh trưởng và chết của tế bào (Hình 3.1), đó là: - Pha lag. Là thời gian khi sự thay đổi số lượng tế bào bằng không. - Pha sinh trưởng nhanh. Số lượng tế bào bắt đầu tăng và tốc độ phân chia đạt đến cực đại. - Pha sinh trưởng theo hàm mũ. Số lượng tế bào tăng theo hàm mũ khi tế bào bắt đầu phân chia, tốc độ sinh trưởng tăng lên trong suốt pha này, nhưng tốc độ phân chia tỷ lệ với d lnCN / dt , là hằng số ở giá trị cực đại của nó, như được minh họa ở hình 3.1. - Pha sinh trưởng chậm. Khi tốc độ sinh trưởng đạt đến cực đại, thì giai đoạn tiếp theo là pha sinh trưởng chậm trong đó cả hai tốc độ sinh trưởng và tốc độ phân chia đều giảm. - Pha tĩnh. Quần thể tế bào đạt đến giá trị cực đại và sẽ không tăng thêm nữa. - Pha chết. Sau khi các chất dinh dưỡng của tế bào cạn kiệt, tế bào sẽ bắt đầu chết và số lượng tế bào sống sót sẽ giảm. 1. Pha lag Pha lag (hoặc pha tĩnh khởi đầu hoặc tiềm tàng) là thời kỳ khởi đầu của quá trình nuôi cấy, trong suốt thời kỳ này sự thay đổi số lượng tế bào là bằng không hoặc không đáng kể. Mặc dù số lượng tế bào không tăng lên, Công nghệ tế bào 26
27. nhưng tế bào có thể sinh trưởng bằng cách tăng kích thước trong suốt thời kỳ này. A B C D E F 12 lnCN 10 8 t 1,5 1,0 −5 CN ×10 0,5 0 t 0,3 0,2 0,1 d lnC N 0 t dt -0,1 -0,2 Hình 3.1. Đường cong sinh trưởng đặc trưng của các cơ thể đơn bào. (A) pha lag, (B) pha sinh trưởng nhanh, (C) pha sinh trưởng theo hàm mũ, (D) pha sinh trưởng chậm, (E) pha tĩnh, (F) pha chết. Độ dài của pha lag tùy thuộc vào nhiều nhân tố, chẳng hạn như loại và tuổi của cơ thể vi sinh vật (hoặc tế bào động-thực vật), và các điều kiện nuôi cấy. Pha lag thường xuất hiện do tế bào phải điều chỉnh với môi trường mới trước khi sự sinh trưởng có thể bắt đầu. Nếu vi sinh vật được cấy từ môi trường có nồng độ chất dinh dưỡng thấp vào môi trường có nồng độ chất Công nghệ tế bào 27
28. dinh dưỡng cao, thì pha lag thường kéo dài. Nếu nó được chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp thì thường không xuất hiện pha lag. Một nhân tố quan trọng khác ảnh hưởng đến độ dài của pha lag là lượng mẫu được đưa vào nuôi cấy (inoculum size). Nếu một lượng nhỏ tế bào được đưa vào một thể tích lớn thì chúng sẽ có một pha lag dài. Ở trường hợp nuôi cấy tế bào trên quy mô lớn, thì thời gian của pha lag càng ngắn càng tốt. Vì thế, để đưa mẫu vào (còn gọi là tiếp mẫu) quy trình lên men công nghiệp, chúng ta cần phải có một dãy các nồi lên men có lượng mẫu lớn dần để giảm thiểu ảnh hưởng của pha lag. Vào giai đoạn kết thúc pha lag, khi sự sinh trưởng của tế bào bắt đầu, thì tốc độ phân chia tế bào tăng lên từ từ và đạt đến giá trị cực đại ở thời kỳ sinh trưởng theo hàm mũ, như trình bày bằng sự tăng lên ở góc uốn cong B trong hình 3.1. Thời kỳ chuyển tiếp này được gọi chung là pha sinh trưởng nhanh và thường được xem như là một phần của pha lag. 2. Pha sinh trưởng theo hàm mũ (pha logarithm) Ở các cơ thể đơn bào, sự nhân đôi tăng dần của số lượng tế bào cho kết quả tốc độ sinh trưởng tăng lên liên tục trong quần thể. Nuôi cấy vi khuẩn trải qua sự sinh trưởng cân bằng kiểu như phản ứng hóa học bậc một tự xúc tác. Vì thế, tốc độ tăng trưởng của quần thể tế bào ở mọi thời điểm tỷ lệ với mật độ số lượng (CN ) của tế bào hiện diện tại thời điểm đó. dC r = N = µC (3.5) N dt N Trong đó: hằng số µ được biết như là tốc độ sinh trưởng đặc trưng (giờ-1). Không nên nhầm lẫn tốc độ sinh trưởng đặc trưng với tốc độ sinh trưởng (có các đơn vị và ý nghĩa khác hẳn). Tốc độ sinh trưởng là sự thay đổi của mật độ số lượng tế bào theo thời gian, trong khi đó tốc độ sinh trưởng đặc trưng là: 1 dC d lnC µ = × N = N (3.6) CN dt dt Đó là sự thay đổi theo logarithm tự nhiên của mật độ số lượng tế bào theo thời gian. So sánh phương trình (3.4) và (3.6) cho thấy: Công nghệ tế bào 28
29. d lnC ⎛ d log C ⎞ µ = N = ln 2⎜ 2 N ⎟ = δ ln 2 (3.7) dt ⎝ dt ⎠ Vì vậy, tốc độ sinh trưởng đặc trưng µ bằng ln2 lần tốc độ phân chia δ. Nếu µ là hằng số theo thời gian trong suốt thời kỳ sinh trưởng theo pha hàm mũ, thì phương trình (3.5) có thể được lấy tích phân từ t0 tới t khi đó: C N dC t ∫ N = ∫ µ dt (3.8) C CN t N0 0 Hay: C = C exp[µ(t − t )] N N0 0 (3.9) Trong đó: C là mật độ số lượng tế bào ở t0 khi sự sinh trưởng hàm N 0 mũ bắt đầu. Phương trình (3.9) cho thấy sự tăng lên của số lượng tế bào theo hàm mũ đối với thời gian. Thời gian cần thiết để gấp đôi quần thể, được gọi là thời gian nhân đôi (td), có thể ước lượng từ phương trình (3.9), bằng cách đặt C = 2C và N N 0 t0 = 0 , giải theo t ta có: ln 2 1 t = = (3.10) d µ δ Thời gian nhân đôi tỷ lệ nghịch với tốc độ sinh trưởng đặc trưng và bằng số nghịch đảo của tốc độ phân chia. 3. Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng đặc trưng 3.1. Nồng độ cơ chất Một trong những phương trình được sử dụng rộng rãi nhất thể hiện ảnh hưởng của nồng độ cơ chất (chất dinh dưỡng) lên µ là phương trình Monod: µ C µ = max S (3.11) K S + CS Công nghệ tế bào 29
30. Trong đó: CS là nồng độ của cơ chất giới hạn (limiting substrate) trong môi trường và K S là hệ số hệ thống. Mối quan hệ này được trình bày bằng đồ thị trong hình 3.2. Giá trị của K S tương đương với nồng độ của chất dinh dưỡng khi tốc độ sinh trưởng đặc trưng bằng một nữa giá trị cực đại của nó (µmax). Theo phương trình Monod, sự tăng lên về sau của nồng độ chất dinh dưỡng khi µ đạt đến µ max đã không ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng đặc trưng, như đã trình bày ở hình 3.2. Tuy nhiên, tốc độ sinh trưởng đặc trưng sẽ giảm xuống khi nồng độ chất dinh dưỡng tăng lên vượt quá một mức độ nhất định. 3.2. Nồng độ sản phẩm Khi các tế bào sinh trưởng, chúng sẽ sản xuất ra các sản phẩm trao đổi chất và có thể tích lũy trong môi trường. Sinh trưởng của các vi sinh vật thường bị ức chế bởi các sản phẩm này, ảnh hưởng của các sản phẩm này có thể được bổ sung vào phương trình Monod như sau: ⎛ C ⎞ ⎛ K ⎞ ⎜ S ⎟ ⎜ P ⎟ µ = µmax ⎜ ⎟× ⎜ ⎟ (3.12) ⎝ K S + CS ⎠ ⎝ K P + CP ⎠ hoặc: n ⎛ C ⎞ ⎛ C ⎞ ⎜ S ⎟ ⎜ P ⎟ (3.13) µ = µ max ⎜ ⎟ × ⎜1− ⎟ ⎝ K S + CS ⎠ ⎝ CPm ⎠ Trong đó: KP là hệ số nồng độ sản phẩm và CP là nồng độ sản phẩm. Cả hai phương trình trên đã mô tả sự ức chế sản phẩm khá tốt. CPm được ký hiệu là nồng độ cực đại của sản phẩm, là yếu tố làm cho các tế bào không thể sinh trưởng do sự ức chế sản phẩm. 3.3. Các điều kiện khác Tốc độ sinh trưởng đặc trưng của các tế bào cũng bị ảnh hưởng bởi pH môi trường, nhiệt độ và sự cung cấp oxygen. Nhiệt độ và pH tối ưu của các loại tế bào khác nhau (động-thực vật và vi sinh vật) là cũng khác nhau. Công nghệ tế bào 30
31. 1,2 µmax Hình 3.2. Sự phụ thuộc của tốc 0,8 độ sinh trưởng đặc trưng vào µ nồng độ của chất dinh dưỡng giới hạn sinh trưởng. µmax = 0,4 0,935/giờ; K = 0,22×10-4 mol/L. S KS 0 2 4 6 4 CS ×10 ,M 4. Pha tĩnh và pha chết Sinh trưởng của quần thể tế bào thường bị hạn chế hoặc do sử dụng hết toàn bộ các chất dinh dưỡng có sẵn hoặc do sự tích lũy các sản phẩm độc của sự trao đổi chất. Kết quả là tốc độ sinh trưởng giảm và sự sinh trưởng cuối cùng đã dừng lại. Ở thời điểm này nuôi cấy được gọi là pha tĩnh. Giai đoạn chuyển tiếp giữa pha hàm mũ và pha tĩnh bao gồm một thời kỳ sinh trưởng không cân bằng và trong suốt thời kỳ này các thành phần khác nhau của tế bào được tổng hợp ở các tốc độ không bằng nhau. Kết quả là các tế bào trong pha tĩnh có một thành phần hóa học khác với các tế bào trong pha hàm mũ. Pha tĩnh thường được tiếp theo bởi pha chết mà trong đó các cơ thể trong quần thể bị chết. Sự chết xuất hiện hoặc do sự suy yếu của việc bảo quản năng lượng của tế bào, hoặc do sự tích lũy các sản phẩm độc tố. Giống như sự sinh trưởng, sự chết là một hàm mũ. Trong một số trường hợp, cơ thể không chỉ chết mà còn phân hủy, một quá trình còn được gọi là sự phân giải. IV. Các ký hiệu C nồng độ, khối lượng trên một đơn vị thể tích nuôi cấy, kg/m3 3 CN mật độ số lượng tế bào, số lượng tế bào/m 3 C mật độ số lượng tế bào tại thời điểm t0, số lượng tế bào/m N0 CP nồng độ sản phẩm CPm nồng độ cực đại của sản phẩm Công nghệ tế bào 31
32. CS nồng độ cơ chất 3 CX nồng độ tế bào, trọng lượng khô tế bào trên thể tích kg/m dCX/dt sự thay đổi nồng độ khô của tế bào theo thời gian dCN/dt sự thay đổi mật độ số lượng tế bào theo thời gian KP hệ số nồng độ sản phẩm 3 KS hệ số hệ thống cho động học Monod, kg/m n số lượng tế bào r tốc độ rX tốc độ sinh trưởng của tế bào trên cơ sở trọng lượng khô rN tốc độ sinh trưởng của tế bào trên cơ sở số lượng t thời gian, s td thời gian nhân đôi, s δ tốc độ phân chia của tế bào, s-1 δ tốc độ phân chia tế bào trung bình, s-1 µ tốc độ sinh trưởng đặc trưng, s-1 hoặc kg/m3/s -1 3 µ max tốc độ sinh trưởng cực đại, s hoặc kg/m /s ρ mật độ tế bào, kg/m3 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 1. Asenjo JA and Merchuk JC. 1995. Bioreactor System Design. Marcel Dekker, Inc. New York, USA. 2. Atkinson B and Mavituna F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. 2nd ed. Stockton Press, New York, USA. 3. Chia TF. 2003. Engineering Applications in Biology. Updated 1st ed. McGraw-Hill Education, Singapore. 4. Flickinger MC and Drew SW. 1999. Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation. John Wiley & Sons, New York, USA. 5. Lee JM. 2001. Biochemical Engineering. Prentice Hall, Inc. USA. 6. Ratledge C and Kristiansen B. 2002. Basic Biotechnology. Cambridge University Press, UK. 7. Shuler ML and Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering-Basic Concepts. 2nd ed. Prentice Hall, Inc. New Jersey, USA. 8. Vogel HC and Todaro CL. 1997. Fermentation and Biochemical Engineering Handbook (Principles, Process Design, and Equipment). 2nd ed. Noyes Publications. New Jersey, USA. Công nghệ tế bào 32
33. Chương 4 Thiết kế hệ lên men I. Hệ lên men thùng khuấy Nồi phản ứng sinh học (bioreactor) hay còn gọi là hệ lên men (fermenter) là loại thiết bị mà trong nó sự biến đổi hóa sinh được tiến hành bởi các tế bào sống hoặc các thành phần tế bào in vivo (enzyme). Trong chương này, nồi phản ứng sinh học để nuôi cấy các tế bào sống được gọi là hệ lên men để phân biệt các nồi phản ứng sinh học dùng cho các enzyme. Trong phòng thí nghiệm, các tế bào thường được nuôi cấy trong các bình tam giác trên máy lắc. Lắc nhẹ bình tam giác rất hiệu quả để tạo ra dịch huyền phù tế bào, tăng cường sự oxy hóa thông qua bề mặt chất lỏng và trợ giúp sự chuyển khối (mass transfer) của các chất dinh dưỡng mà không gây nguy hiểm cho cấu trúc tế bào. bọt vách ngăn đun nóng làm lạnh turbin dẹt không khí vô trùng Hình 4. 1. Sơ đồ hệ lên men dùng cho sản xuất penicillin. Đối với hoạt động sản xuất ở quy mô lớn, thì hệ thống lên men thùng khuấy (stirred-tank fermenter, STF) được sử dụng rộng rãi nhất để thiết kế cho quá trình lên men công nghiệp. Nó có thể được dùng cho cả hai trường hợp lên men hiếu khí (aerobic) và yếm khí (anaerobic) trong một phạm vi rộng các loại tế bào khác nhau bao gồm vi sinh vật, động vật và thực vật. Công nghệ tế bào 33
34. Hình 4.1 giới thiệu sơ đồ hệ lên men dùng trong sản xuất penicillin. Cường độ pha trộn (mixing intensity) có thể rất khác nhau bằng cách chọn loại cánh khuấy (impeller) thích hợp và các tốc độ khuấy khác nhau. Việc sục khí và khuấy cơ học trong hệ lên men rất tốt cho nuôi cấy dịch huyền phù tế bào, sự oxy hóa, sự pha trộn môi trường và truyền nhiệt. STF cũng có thể được dùng cho các môi trường có độ nhớt cao. Nó là một trong những hệ lên men quy mô lớn đầu tiên được phát triển trong công nghiệp dược. Đặc điểm và tiềm năng của STF được nghiên cứu rộng rãi. Do hệ lên men thùng khuấy thường được làm bằng thép không rỉ và hoạt động trong điều kiện ôn hòa nên tuổi thọ của thiết bị rất lâu. Nhược điểm của hệ lên men thùng khuấy bắt nguồn từ ưu điểm của nó. Bộ phận (cánh) khuấy rất hiệu quả trong việc pha trộn các thành phần của hệ lên men, nhưng lại tiêu thụ một lượng lớn công suất và có thể gây nguy hiểm cho những hệ thống tế bào nuôi cấy mẫn cảm với lực trượt (shear force) như tế bào động vật có vú hoặc tế bào thực vật. Lực trượt của chất lỏng trong hỗn hợp được tạo ra bởi gradient tốc độ của các thành phần tốc độ (hướng tâm và tiếp tuyến) của chất lỏng khi rời khỏi vùng cánh khuấy. Khi chất lỏng rời khỏi vùng trung tâm, thì tốc độ của nó ở vị trí trên và dưới cánh khuấy (có khoảng cách bằng chiều rộng cánh khuấy) sẽ giảm khoảng 85% và tạo ra một vùng trượt cao. Khi tỷ lệ chiều rộng cánh khuấy trên đường kính của nó tăng thì profile tốc độ ít có dạng đặc trưng của parabol mà trở nên tù hơn và nó tạo ra lực trượt ít hơn do gradient tốc độ lớn dần lên. Vì thế, bằng cách tăng chiều rộng cánh khuấy, có thể ứng dụng thành công STF trong nuôi cấy tế bào động vật hoặc tế bào thực vật. Nhiều hệ lên men quy mô phòng thí nghiệm được làm bằng thủy tinh có nắp bằng thép không rỉ. Các thùng lên men lớn hơn được làm bằng thép không rỉ. Tỷ lệ chiều cao trên đường kính của thùng lên men (vessel) hoặc là 2/1 hoặc là 3/1 và thường được khuấy bằng hai hoặc ba turbine khuấy (cánh khuấy). Trục cánh khuấy được gắn trên nắp hoặc từ đáy của thùng bằng giá đỡ. Tỷ lệ đường kính cánh khuấy (DI) trên đường kính của thùng (DT) thường là từ 0,3-0,4. Trong trường hợp hệ lên men có hai cánh khuấy, thì khoảng cách giữa cánh khuấy thứ nhất với đáy của vessel và khoảng cách giữa hai cánh khuấy bằng 1,5 đường kính cánh khuấy. Khoảng cách này giảm xuống còn 1,0 so với đường kính cánh khuấy trong trường hợp hệ lên men có ba cánh khuấy. Bốn vách ngăn (baffles) cách đều nhau thường Công nghệ tế bào 34
35. được thiết kế để ngăn cản sự hình thành dòng xoáy làm giảm hiệu suất pha trộn. Chiều rộng của vách ngăn thường bằng 1/10 đường kính của thùng (tank). Ở trường hợp hệ lên men hiếu khí (aerobic fermenter), thì một bộ phun lỗ đơn (single orifice sparger) hoặc một bộ phun vòng được sử dụng để sục khí cho hệ lên men. Bộ phận phun được đặt ở vị trí giữa cánh khuấy cuối cùng và đáy của vessel. Độ pH trong hệ lên men có thể được duy trì bằng cách dùng dung dịch đệm hoặc bộ điều chỉnh pH (pH controller). Nhiệt độ được điều chỉnh bằng hệ thống gia nhiệt và làm lạnh tự động. 1. Hệ lên men dòng nút (plug-flow fermenter, PFF) hoặc mẻ (batch fermenter) Một hệ lên men khuấy lý tưởng phải có khả năng pha trộn tốt sao cho các thành phần đồng nhất trong một kết cấu ở mọi thời điểm. Một hệ lên men lý tưởng khác là hệ lên men dòng nút, một dạng tương đồng của hệ lên men mẻ. Trong hệ lên men dòng ống (tubular-flow fermenter), chất dinh dưỡng (cơ chất) và tế bào đi vào một đầu của ống hình trụ và tế bào sẽ sinh trưởng trong khi chúng đi qua ống này. Do ống dài và thiếu bộ phận khuấy nên đã ngăn cản sự pha trộn hoàn toàn của chất lỏng, vì thế tính chất của dòng chảy thay đổi trong hai chiều tiếp tuyến và hướng tâm. Tuy nhiên, sự biến thiên trong chiều hướng tâm nhỏ hơn chiều tiếp tuyến. Một hệ lên men dòng ống mà không có những biến thiên hướng tâm thì được gọi là hệ lên men dòng nút (PFF). Thực tế, hệ lên men PFF rất khó xây dựng. Cho dù hệ lên men PFF trạng thái ổn định (steady state) được hoạt động trong một kiểu liên tục, thì nồng độ tế bào của hệ lên men mẻ lý tưởng sau thời gian t sẽ giống như nồng độ tế bào của hệ lên men PFF trạng thái ổn định ở vị trí chiều dọc nơi mà thời gian lưu (residence time) τ bằng t (Hình 4.2). Vì thế, sự phân tích sau đây ứng dụng cho cả hai, hệ lên men mẻ lý tưởng và PFF trạng thái ổn định. Nếu môi trường lỏng được tiếp mẫu bằng nuôi cấy kết hạt (seed culture), thì tế bào sẽ bắt đầu sinh trưởng theo hàm mũ sau pha lag. Trong hệ lên men mẻ, sự thay đổi nồng độ tế bào bằng tốc độ sinh trưởng tế bào: dC X = r = µC (4.1) dt X X Công nghệ tế bào 35
36. CX C X F o F f C C so S f V, C , C X S t τ to p CX CX = CXo C ở t = to s Cs = Cso (a) (b) Hình 4.2. Sơ đồ (a) hệ lên men thùng khuấy mẻ và (b) hệ lên men dòng nút. Để thu được phương trình hiệu suất của lên men mẻ, chúng ta cần lấy tích phân phương trình (4.1) sẽ được: CX dC CX dC t X = X = dt = t − t (4.2) ∫ ∫ ∫ 0 C rX C µC X t X 0 X 0 0 Cần lưu ý rằng, phương trình (4.2) chỉ được ứng dụng khi rX > 0. Vì thế, t0 (trong phương trình 4.2) không phải là thời gian của nuôi cấy ban đầu sau khi tiếp mẫu, mà là thời gian tế bào khởi động sinh trưởng, là giai đoạn pha sinh trưởng bắt đầu tăng nhanh. Theo phương trình (4.2), thời gian sinh trưởng từng mẻ t − t0 chính là diện tích phía dưới đường cong 1/r theo C giữa C và C (Hình 4.3). X X X 0 X Đường cong liên tục ở hình 4.3 được tính toán bằng phương trình Monod và vùng có màu tối bằng t − t0 . Thời gian sinh trưởng từng mẻ ít khi được ước lượng bằng đồ thị này vì để xác định nó thì dựa vào đường cong t theo C X là đơn giản hơn. Tuy nhiên, biểu diễn bằng đồ thị sẽ thuận tiện trong việc so sánh tiềm năng của các cấu hình hệ lên men khác nhau (sẽ được thảo luận sau). Lúc này chỉ lưu ý rằng, đường cong có màu tối dạng chữ U là đặc trưng của các phản ứng xúc tác tự động: S + X → X + X Công nghệ tế bào 36
37. 3 2 1 rX 1 0 2 4 6 8 CX Hình 4.3. Đồ thị của thời gian sinh trưởng từng mẻ t − t0 (vùng tối). Đường cong liên tục biểu diễn mô hình Monod với µ max = 0,935/giờ; K S = 0,71 g/L; Y = 0,6; C = 1,6 g/L; và C = 10 g/L. X/S X 0 S0 Tốc độ khởi đầu của phản ứng xúc tác tự động chậm do nồng độ của X thấp. Tốc độ phản ứng tăng lên khi các tế bào sinh sản và sau đó sẽ đạt đến tốc độ tối đa. Khi lượng cơ chất giảm và các sản phẩm độc được tích lũy, thì tốc độ phản ứng giảm xuống ở giá trị thấp hơn. Nếu động học Monod (Monod kinetics) biểu diễn thích hợp tốc độ sinh trưởng trong suốt pha hàm mũ, thì chúng ta có thể thay thế phương trình (3.11) ở chương 3 vào phương trình (4.2) để có được: CX (K + C )dC t ∫ S S X = ∫ dt (4.3) C µ maxCS C X t X 0 0 Phương trình (4.3) có thể tính được tích phân nếu chúng ta biết mối quan hệ giữa CS và CX. Người ta đã quan sát thấy rằng số lượng sinh khối tế bào được sản xuất tỷ lệ với lượng cơ chất giới hạn được tiêu thụ. Hiệu suất sinh trưởng (YX/S ) đã được định nghĩa như sau: ∆C C X − C X Y = X = 0 (4.4) X/S − ∆C − (C −C ) S S S0 Thay phương trình (4.4) vào phương trình (4.3), tích phân của phương trình tổng hợp này sẽ đưa ra mối quan hệ giữa nồng độ tế bào và thời gian: Công nghệ tế bào 37
38. ⎛ K Y ⎞ C K Y C ()t − t µ = ⎜ S X / S +1⎟ln X + S X / S ln S0 (4.5) 0 max ⎜ C + C Y ⎟ C C + C Y C ⎝ X 0 S0 X / S ⎠ X 0 X 0 S0 X / S S 2. Hệ lên men thùng khuấy liên tục (continuous stirred-tank fermenter- CSTF) lý tưởng Quần thể tế bào có thể tiếp tục ở giai đoạn sinh trưởng hàm mũ trong một thời gian dài bằng cách duy trì hệ thống nuôi cấy liên tục. Hình 4.4 trình bày sơ đồ hệ lên men thùng khuấy liên tục (CSTF). Buồng sinh trưởng (thùng lên men hay bình nuôi) được kết nối với bình chứa môi trường vô trùng. Khi quá trình sinh trưởng bắt đầu thì môi trường sạch được cung cấp liên tục từ bình chứa môi trường. Hệ thống nuôi cấy liên tục có thể hoạt động như là một chemostat (thể ổn định hóa tính) hoặc turbidostat (thể ổn định độ đục). Trong chemostat tốc độ dòng chảy được cài đặt ở một giá trị đặc biệt và tốc độ sinh trưởng của nuôi cấy sẽ điều chỉnh tốc độ dòng chảy này. Nói chung, hoạt động chemostat dễ dàng hơn turbidostat, do nó có thể được thực hiện bằng cách đặt máy bơm ở một tốc độ dòng chảy không đổi, trong khi turbidostat đòi hỏi một thiết bị cảm quang (optical sensing device) và một bộ điều chỉnh (controller). Tuy nhiên, turbidostat được giới thiệu khi hệ lên men liên tục cần được tiến hành ở các tốc độ pha loãng cao gần với điểm rửa trôi (washout point), khi ta có thể ngăn cản sự rửa trôi bằng cách điều hòa tốc độ dòng chảy trong trường hợp thất thoát tế bào thông qua dòng chảy ra ngoài vượt quá sự sinh trưởng tế bào trong hệ lên men. CXi F Csi CX V, C , C F X S Cs Hình 4.4. Sơ đồ hệ lên men thùng khuấy liên tục (CSTF). Công nghệ tế bào 38
39. Cân bằng nguyên liệu cho tế bào trong CSTF (Hình 4.4) có thể được viết như sau: dC FC − FC +Vr = V X (4.6) X i X X dt Trong đó: rX là tốc độ sinh trưởng tế bào trong hệ lên men và dCX / dt biểu diễn sự thay đổi nồng độ tế bào trong hệ lên men theo thời gian. Đối với CSTF hoạt động trạng thái ổn định, thì sự thay đổi nồng độ tế bào theo thời gian là bằng không (dCX / dt = 0) do các tế bào trong bình nuôi chỉ sinh trưởng đủ nhanh để thay thế những tế bào bị hao hụt theo dòng chảy ra ngoài, và phương trình (4.6) trở thành: V C X − C X i (4.7) τ m = = F rX Phương trình (4.7) cho thấy thời gian lưu cần thiết (τm) bằng diện tích hình chữ nhật có chiều rộng C − C và chiều cao 1/ r trên đường cong X X i X 1/ rX theo CX. Hình 4.5 biểu diễn đường cong 1/ rX theo CX. Diện tích hình chữ nhật được tô đậm ở trong hình bằng thời gian lưu trong CSTF khi dòng chảy vào là vô trùng. Minh họa thời gian lưu bằng đồ thị có thể giúp chúng ta so sánh hiệu quả của các hệ lên men. Hệ lên men có thời gian lưu ngắn hơn (để đạt tới một nồng độ tế bào nhất định) là hiệu quả hơn. Hoạt động tối ưu của hệ lên men dựa trên sự minh họa đồ thị này sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo. 4 3 1 rX 2 1 0 2 4 6 C X Hình 4.5. Minh họa bằng đồ thị ước lượng thời gian lưu cho CSTF. Đường biểu diễn mô hình Monod với µ max = 0,935/giờ; K S = 0,71g/L; YX/S = 0,6; C = 10 g/L; và C = 0. Si X i Công nghệ tế bào 39
40. Nếu dòng chảy vào là vô trùng (C = 0), và tế bào trong CSTF X i đang sinh trưởng theo hàm mũ (rX = µC X ) thì phương trình (4.7) sẽ trở thành: 1 1 τ = = (4.8) m µ D Trong đó: D được biết như là tốc độ pha loãng và có giá trị bằng nghịch đảo của thời gian lưu (τ m ). Vì thế, đối với CSTF trạng thái ổn định có chất dinh dưỡng vô trùng, thì tốc độ sinh trưởng đặc trưng bằng tốc độ pha loãng. Mặt khác, tốc độ sinh trưởng đặc trưng của tế bào có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ dòng chảy môi trường. Nếu tốc độ sinh trưởng có thể được biểu diễn bằng phương trình Monod, thì sau đó: 1 µ C D = µ = = max S (4.9) τ m K S + CS Từ phương trình (4.9), CS có thể được tính toán bằng thời gian lưu đã biết và các thông số động học Monod như sau: K S CS = (4.10) τ m µ max −1 Tuy nhiên, cần chú ý rằng phương trình (4.10) chỉ có giá trị khi τ m µ max > 1. Nếu τ m µ max < 1, tốc độ sinh trưởng của tế bào sẽ thấp hơn tốc độ tế bào thất thoát theo dòng chảy ra ngoài. Do đó, tất cả tế bào trong hệ lên men sẽ bị rửa trôi, và phương trình (4.10) sẽ không có giá trị. Nếu hiệu suất sinh trưởng (YX / S ) là hằng số, thì sau đó: C = Y (C − C ) X X / S Si S (4.11) Thay phương trình (4.10) vào phương trình (4.11) sẽ cho hiệu suất tương quan đối với CX như sau: ⎛ K ⎞ C = Y ⎜C − S ⎟ (4.12) X X / S ⎜ Si ⎟ ⎝ τ m µ max −1⎠ Công nghệ tế bào 40
41. Tương tự: ⎛ K ⎞ C = C + Y ⎜C − S ⎟ (4.13) P Pi P / S ⎜ Si ⎟ ⎝ τ mµmax −1⎠ Trong đó: CP là nồng độ sản phẩm, CPi là nồng độ sản phẩm đưa vào. Một lần nữa, phương trình (4.12) và (4.13) chỉ có giá trị khi τ m µ max > 1. Trong phần này, chúng ta đặt cân bằng nguyên liệu cho nồng độ tế bào và thu được các phương trình khác nhau cho CSTF. Các phương trình tương tự cũng có thể thu được bằng cách đặt các cân bằng nguyên liệu cho nồng độ cơ chất và nồng độ sản phẩm. 3. Ước lượng các thông số động học Monod Đẳng thức tốc độ sinh trưởng đặc trưng và tốc độ pha loãng của CSTF ở trạng thái ổn định (phương trình 4.9) tiện lợi trong nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần khác nhau của môi trường lên tốc độ sinh trưởng đặc trưng. Bằng cách đo nồng độ cơ chất ở trạng thái ổn định với các tốc độ dòng chảy khác nhau, các mô hình động học khác nhau có thể được thử nghiệm và giá trị của các thông số động học có thể được ước lượng. Sắp xếp lại phương trình (4.9) có thể thu được mối quan hệ tuyến tính như sau: 1 K 1 1 = S × + (4.14) µ µmax CS µmax Trong đó: µ bằng tốc độ pha loãng (D) cho chemostat. Nếu một tế bào nhất định tuân theo động học Monod, thì đồ thị 1/ µ theo 1/CS sẽ đem lại giá trị µ max và KS (bằng cách đọc phần bị chặn và độ dốc của đường thẳng). Đồ thị này có ưu điểm cho thấy mối quan hệ giữa biến độc lập (CS) và biến phụ thuộc µ. Tuy nhiên, 1/ µ sẽ tiến tới ∞ nếu nồng độ cơ chất giảm dẫn đến trọng lượng vượt quá mức để đo khi nồng độ cơ chất thấp và trọng lượng không đủ để đo khi các nồng độ cơ chất cao. Phương trình (4.9) có thể sắp xếp lại để đưa ra các mối quan hệ tuyến tính ứng dụng thay cho phương trình (4.14) nhằm ước lượng tốt hơn các thông số trong những trường hợp nhất định: Công nghệ tế bào 41
42. C K C S = S + S (4.15) µ µ max µ max µ µ = µ max − K S (4.16) CS Tuy nhiên, giới hạn của phép tính gần đúng này (để xác định các thông số động học) gặp khó khăn khi sử dụng CSTF. Đối với trường hợp vận hành theo từng mẻ, chúng ta thậm chí có thể dùng bình tam giác lắc trên máy lắc để vận hành nhiều mẻ với các điều kiện khác nhau trong cùng một thời gian. Vận hành theo từng mẻ trong nồi lên men có khuấy cũng không khó khăn lắm, do không có các kết nối đi vào và đi ra (ngoại trừ bộ phận cung cấp không khí) và thời gian vận hành ngắn, ít có nguy cơ của sự nhiễm bẩn hệ lên men. Để vận hành CSTF, chúng ta cần có các nguồn cung cấp dinh dưỡng và tích trữ sản phẩm được kết nối vô trùng với hệ lên men. Tốc độ của các dòng chảy vào và ra khỏi hệ lên men cần được kiểm soát một cách chính xác. Thỉnh thoảng, việc kiểm soát tốc độ dòng chảy ra có thể gặp khó khăn do sự tạo bọt và kết khối của các tế bào. Do thời gian vận hành ít nhất một vài ngày hoặc thậm chí cả tuần để đạt tới trạng thái ổn định (cũng gây ra sự biến đổi tốc độ pha loãng), cho nên luôn có rủi ro cao đối với hệ lên men do bị nhiễm bẩn. Thường xuyên gặp khó khăn trong việc đạt tới trạng thái ổn định bởi đột biến của tế bào và khả năng thích nghi với môi trường mới của chúng. Hơn nữa, do hầu hết các hệ lên men quy mô lớn được tiến hành trong kiểu từng mẻ, cho nên các thông số động học được xác định bởi nghiên cứu chemostat phải dự báo được sự sinh trưởng trong kiểu lên men này. Tuy nhiên, bằng chứng (kiểm tra và xác minh) mô hình động học và ước lượng các thông số động học bằng cách vận hành chemostat là phương pháp đáng tin cậy nhất do điều kiện môi trường không thay đổi của nó. Các số liệu của vận hành theo từng mẻ có thể được dùng để xác định các thông số động học, cho dù nó không phải là phương thức được giới thiệu cao. Tốc độ sinh trưởng đặc trưng trong suốt quá trình vận hành theo từng mẻ có thể được ước lượng bằng cách đo độ dốc của đường cong nồng độ tế bào theo thời gian ở các điểm khác nhau. Nồng độ cơ chất cần thiết được đo ở cùng các điểm nơi mà độ dốc được đọc. Sau đó các đồ thị theo các phương trình (4.14), (4.15) và (4.16) có thể được xây dựng để xác định Công nghệ tế bào 42
43. các thông số động học. Tuy nhiên, giá trị của các thông số thu được trong phương pháp này cần thiết được khảo sát cẩn thận xem chúng có ở trong phạm vi hợp lý cho các tế bào được kiểm tra hay không. 4. Hiệu suất của CSTF Thông thường, hiệu suất của hệ lên men được hiểu như là số lượng sản phẩm được sản xuất trên một đơn vị thời gian và thể tích. Nếu dòng chảy vào là vô trùng (C = 0) thì hiệu suất sinh khối tế bào bằng C /,τ X i X m chính là độ dốc của đường thẳng OAB của đường cong CX theo τm (Hình 4.6). 10 8 6 C B CX 4 2 A O 0 0 D 2 4 6 τ m Hình 4.6. Sự thay đổi nồng độ tế bào và cơ chất như là một hàm của thời gian lưu. Hiệu suất bằng độ dốc của đường thẳng OAB. Đường cong được vẽ bằng mô hình Monod với µmax = 0,935/giờ; KS = 0,71 g/L; YX/S = 0,6; và C = 10 g/L. Si Hiệu suất ở điểm A bằng hiệu suất ở điểm B. Ở điểm A nồng độ tế bào của dòng chảy ra thấp nhưng thời gian lưu lại ngắn, vì thế môi trường có thể chảy qua dễ dàng hơn. Ngược lại, ở điểm B nồng độ tế bào của dòng chảy ra cao nhưng thời gian lưu lại dài vì thế chỉ có một lượng nhỏ của môi trường chảy qua. Điểm A là vùng không ổn định vì rất gần với điểm rửa trôi D, và vì chỉ cần một sự dao động nhỏ trong thời gian lưu cũng có thể đem lại một sự thay đổi lớn trong nồng độ tế bào. Khi độ dốc của đường thẳng Công nghệ tế bào 43
44. tăng lên thì hiệu suất sẽ tăng và độ dài của AB giảm. Độ dốc của đường thẳng sẽ đạt giá trị cực đại khi nó là đường tiếp tuyến của đường cong CX. Vì thế, giá trị hiệu suất cực đại bằng độ dốc của đường OC . Hiệu suất cực đại sẽ đạt được ở điểm D. Điều kiện hoạt động để đạt hiệu suất cực đại ở CSTF có thể ước lượng theo đồ thị bằng cách dùng đường cong 1/ rX theo CX. Hiệu suất cực đại có thể thu được khi thời gian lưu là tối thiểu. Vì thời gian lưu bằng diện tích của hình chữ nhật với chiều rộng CX và chiều cao 1/ rX trên đường cong 1/ rX theo CX, cho nên nó sẽ đạt tối thiểu khi 1/ rX là tối thiểu (Hình 4.7). 4 3 1 r X 2 1 0 2 4 6 C X Hình 4.7. Minh họa bằng đồ thị CSTF với hiệu suất cực đại. Đường liên tục biểu diễn cho mô hình Monod với µmax = 0,935/giờ; KS = 0,71 g/L; YX/S = 0,6; C = 10 g/L; và C = 0 . Si X i Điều cần lưu ý là điều chỉnh các phương trình cho nồng độ tế bào và thời gian lưu để sao cho hiệu suất tế bào đạt cực đại. Hiệu suất tế bào cho CSTF trạng thái ổn định với chất dinh dưỡng vô trùng là: C X µ maxCS C X (4.17) = rX = τ m K S + CS Hiệu suất đạt cực đại khi drX / dCX = 0, sau khi thay thế C = C − C /Y vào phương trình (4.17), lấy tích phân theo CX và đặt S Si X X / S phương trình tổng hợp bằng 0, chúng ta thu được nồng độ tế bào tối ưu (CX ,opt ) cho hiệu suất cực đại như sau: Công nghệ tế bào 44
45. α C = Y C (4.18) X ,opt X / S Si α +1 Trong đó: K + C α = S Si (4.19) K S C X Vì: C = C − nên nồng độ cơ chất tối ưu (CS, opt) sẽ là: S Si YX / S CS C = i (4.20) S,opt α +1 Thay phương trình (4.20) vào phương trình (4.17) để thu được một thời gian lưu tối ưu (τm,opt) như sau: α τ m,opt = (4.21) µ max (α −1) 5. So sánh nuôi cấy của hệ lên men mẻ và hệ lên men thùng khuấy liên tục Như đã đề cập, thời gian lưu cần thiết để nuôi cấy mẻ hoặc PFF trạng thái ổn định đạt tới một nồng độ tế bào nhất định là: C X dC τ = t + X (4.22) b 0 ∫ C rX X 0 Trong đó: t0 là thời gian cần thiết để đạt tới pha sinh trưởng theo hàm mũ. Diện tích bên dưới của đường cong 1/ r theo CX, giữa C và CX là X X i bằng τ b − t1 như đã được trình bày ở hình 4.3. Mặt khác, thời gian lưu ở CSTF được biểu diễn bởi phương trình (4.17) bằng diện tích hình chữ nhật với chiều rộng C − C , và chiều cao X X i 1/ rX . Công nghệ tế bào 45
46. Vì đường cong 1/ rX theo CX có dạng hình chữ U nên chúng ta có thể có một vài nhận xét cho hệ lên men đơn như sau: - Hầu hết các hệ lên men sản xuất là một CSTF hoạt động với nồng độ tế bào mà ở đó giá trị của 1/ rX là tối thiểu (Hình 4.8 a) do nó đòi hỏi thời gian lưu ngắn nhất. - Nếu nồng độ cuối cùng của tế bào được hướng tới ở trong pha tĩnh, thì hệ lên men mẻ là chọn lựa tốt hơn CSTF, vì thời gian lưu cần thiết cho nuôi cấy mẻ (Hình 4.8 b) là ngắn hơn của CSTF. a b 1 1 rX rX C X C X Hình 4.8. Minh họa bằng đồ thị thời gian lưu được yêu cầu (vùng tối) cho: (a) CSTF và (b) hệ lên men mẻ. II. Thu hồi tế bào Đối với hoạt động liên tục của PFF và CSTF, các tế bào thất thoát cùng với dòng chảy ra (outlet) đã hạn chế hiệu suất của hệ lên men. Vì thế, hiệu suất có thể được cải thiện bằng cách thu hồi (recycling) tế bào từ dòng chảy ra để đưa trở lại hệ lên men. 1. Thu hồi tế bào ở PFF PFF đòi hỏi sự hiện diện ban đầu của tế bào trong dòng chảy vào (inlet) như là một hệ lên men mẻ đòi hỏi đưa mẫu vào ban đầu. Phương thức kinh tế nhất để cung cấp tế bào trong dòng chảy vào là thu hồi một phần của Công nghệ tế bào 46
47. dòng chảy ra đưa trở lại dòng chảy vào với (hoặc không có) thiết bị tách rời tế bào. Hình 4.9 mô tả sơ đồ thu hồi tế bào ở PFF. Không giống như CSTF, PFF không đòi hỏi thiết bị tách rời tế bào để thu hồi, vì sự hiện diện của nó không làm tăng đáng kể hiệu suất của hệ lên men. Phương trình hiệu suất của PFF với động học Monod có thể được viết như sau: C C V τ X f dC X f (K + C )dC = p = ∫ X = ∫ S S X (4.23) (1+ R)F 1+ R ' rX ' µ max CS C X CX CX Trong đó: τ p là thời gian lưu dựa trên tốc độ dòng chảy của toàn bộ hệ thống. Thời gian lưu thực tế trong hệ lên men lớn hơn τ p do tốc độ dòng chảy tăng lên nhờ thu hồi tế bào. (1 + R)F CXi C’ C F X B Xf Csi C’s C sf RF CXL = 0 CX , Cs L R f Csf Hình 4.9. Sơ đồ thu hồi tế bào ở PFF. Nếu hiệu suất sinh trưởng là không đổi thì: ' 1 ' CS = CS − (C X − C X ) (4.24) YX/S Thay phương trình (4.24) vào trong phương trình (4.23) cho CS và lấy tích phân ta sẽ có kết quả sau: τ µ C ' p max ⎛ K SYX/S ⎞ X f K SYX / S CS = ⎜ +1⎟ln + ln (4.25) 1+ R ⎜ C ' + C ' Y ⎟ C ' C ' + C ' Y C ⎝ X S X/S ⎠ X X S X / S S f Công nghệ tế bào 47
48. ' ' Trong đó: C X và CS có thể được ước lượng từ sự cân bằng tế bào và cơ chất ở điểm phối trộn của dòng chảy vào và dòng chảy thu hồi như sau: C X + RC X C ' = i R (4.26) X 1+ R CS + RCS C ' = i R (4.27) S 1+ R Nồng độ tế bào của dòng chảy ra, có thể được ước lượng từ toàn bộ sự cân bằng tế bào như sau: 1 C X = [C X + YX/S (CS − CS )] (4.28) f β i i f Nồng độ tế bào của dòng chảy thu hồi có thể được ước lượng từ sự cân bằng tế bào trên bộ lọc như sau: 1+ R − β C = C (4.29) X R R X f Trong đó: β là tỷ lệ xả (bleeding) được định nghĩa như sau: B β = (4.30) F Hình 4.10 trình bày hiệu quả của tốc độ thu hồi (R) trên thời gian lưu của hệ thống PFF có thu hồi. Lưu ý rằng thời gian lưu được tính toán dựa trên tốc độ dòng chảy vào, đó là thời gian lưu thực sự của hệ lên men. Thời gian lưu thực tế trên hệ thống PFF là không quan trọng bởi vì nó sẽ giảm xuống khi tăng tốc độ thu hồi. Khi β = 1, tốc độ xả sẽ bằng tốc độ dòng chảy, và tốc độ dòng chảy của phần được lọc L là bằng 0, vì thế dòng chảy thu hồi không được lọc. Thời gian lưu sẽ là vô hạn nếu R bằng 0 và giảm rõ rệt khi R tăng lên. Trong trường hợp này tỷ lệ thu hồi tối ưu có thể ở trong khoảng 0,2. Một đường cong khác trong hình 4.10 là cho β = B / F = 1,8. Thời gian lưu cần thiết có thể giảm bằng cách tập trung dòng chảy thu hồi từ 25- 40% khi R ở trong khoảng 0,2-1,0. Khi R ≤ 1,2, thì một đoạn của đường Công nghệ tế bào 48
49. cong được biểu diễn bằng dấu chấm, bởi vì khó có thể giảm tỷ lệ thu hồi xuống dưới 0,2 khi β = 0,8. 8 6 V 4 τ p = F β = 1 2 β = 0,8 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 R Hình 4.10. Ảnh hưởng của tốc độ thu hồi (R) và tỷ lệ xả ( β = B / F ) lên thời gian lưu (τp = V/F giờ) của hệ thống PFF có thu hồi. Đường cong được vẽ bằng mô hình Monod với µmax = 0,935/giờ; KS = 0,71 g/L; YX/S = 0,6; C = 10 g/L; C = 1,3 g/L; Si S f và C = 0. X i Việc phân tích trong phần này và các phần sau cũng có thể được ứng dụng trong các bể lắng tế bào như là một bộ phận phân tách tế bào. Dòng chảy ra của bể lắng tế bào sẽ bằng F = B+L và nồng độ của nó sẽ là (B / F) × C = βC . X f X f 2. Thu hồi tế bào ở CSTF Hiệu suất tế bào trong CSTF tăng lên cùng với việc tăng tốc độ pha loãng và đạt đến giá trị cực đại. Nếu tốc độ pha loãng tăng lên quá điểm cực đại, thì hiệu suất của hệ lên men sẽ giảm đột ngột và tế bào sẽ bắt đầu bị pha loãng do tốc độ sinh sản tế bào kém hơn sự hao hụt tế bào ở dòng chảy ra. Một phương thức cải thiện hiệu suất hệ lên men là thu hồi tế bào bằng cách tách rời tế bào khỏi dòng chảy sản phẩm bằng hệ lọc dòng chảy ngang (cross-flow filter unit) (Hình 4.11). Nồng độ cao của tế bào (được duy trì bằng cách thu hồi tế bào) sẽ làm tăng hiệu suất tế bào khi tốc độ sinh trưởng tỷ lệ tương ứng với nồng độ tế Công nghệ tế bào 49
50. bào. Tuy nhiên, phải có giới hạn trong việc tăng hiệu suất tế bào với việc tăng nồng độ tế bào bởi vì trong môi trường có nồng độ tế bào cao, thì tốc độ chuyển khối chất dinh dưỡng sẽ bị giảm do việc dồn vào một nơi quá đông và gây kết khối của tế bào. Việc duy trì nồng độ quá cao của tế bào cũng không có lợi bởi vì bộ phận lọc sẽ thường xuyên bị hỏng hơn ở trường hợp nồng độ tế bào cao. C F Xi Csi C = 0 L XL Csf V C B X f Csf Hình 4.11. Sơ đồ thu hồi tế bào ở CSTF. Nếu tất cả tế bào được thu hồi trở lại trong hệ lên men, thì nồng độ tế bào sẽ tăng liên tục theo thời gian và trạng thái ổn định sẽ không bao giờ đạt được. Vì thế, để hoạt động của CSTF có sự thu hồi ở trạng thái ổn định, chúng ta cần có một dòng xả (Hình 4.11). Phương trình cân bằng nguyên liệu cho tế bào trong hệ lên men có bộ phận thu hồi tế bào có dạng như sau: dC FC − BC +VµC = V X (4.31) X i X X dt Cần lưu ý rằng, tốc độ dòng chảy thực tế đi vào và đi ra khỏi bộ phận lọc không quyết định hoàn toàn đến sự cân bằng tất cả nguyên liệu. Đối với CSTF trạng thái ổn định có sự thu hồi tế bào và chất dinh dưỡng vô trùng, thì: β βD = = µ (4.32) τ m Công nghệ tế bào 50
51. Lúc này βD thay cho D và bằng tốc độ sinh trưởng đặc trưng. Khi D = 1 tế bào không được thu hồi, vì thế β = µ. Nếu tốc độ sinh trưởng có thể biểu diễn bằng động học Monod, thì thay thế phương trình (3.11) ở chương 3 vào phương trình (4.32) ta có: βK S CS = (4.33) τ m µ max − β CS chỉ có nghĩa khi τ mµmax > β. Nồng độ tế bào trong hệ lên men có thể được tính toán từ giá trị của CS như sau: Y C = X / S (C − C ) (4.34) X β Si S Hình 4.12 cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ xả lên hiệu suất tế bào đối với mô hình Monod. Khi β bị giảm xuống từ 1 (không thu hồi) tới 0,5 thì hiệu suất tế bào được tăng lên gấp đôi. 10 β = 0,05 Không thu hồi 8 Hình 4.12. Ảnh hưởng DC X 6 của tỷ lệ xả lên hiệu suất tế bào (βDCX). 4 2 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 D III. Các hệ lên men khác Nhiều hệ lên men khác đã được đề xuất và thử nghiệm. Các hệ lên men này được thiết kế để cải thiện hoặc nhược điểm của hệ lên men thùng khuấy (tiêu thụ công suất lớn) hoặc các yêu cầu đặc biệt của một quá trình lên men nhất định như: sục khí tốt hơn, chuyển nhiệt hiệu quả, tách hoặc giữ lại tế bào, bất động tế bào, giảm bớt thiết bị và giá thành của sản phẩm, và thường không được thiết kế cho quy mô lớn. Công nghệ tế bào 51
52. Các hệ lên men thường được phân loại dựa trên cơ sở các kiểu bình nuôi của chúng như là thùng, cột, hoặc các hệ lên men vòng (loop). Cả hai hệ lên men thùng và cột được xây dựng trên cơ sở bình nuôi hình trụ. Có thể phân loại dựa theo tỷ lệ chiều cao (H) trên đường kính (D) như sau: H/D 3 cho hệ lên men cột. Hệ lên men vòng là hệ lên men thùng hoặc cột có vòng lưu thông chất lỏng, (có thể là ống thông gió (draft) ở giữa hoặc là một cái vòng gắn ở bên ngoài hệ lên men). Có thể phân loại các hệ lên men theo một cách khác dựa trên cơ sở các thành phần của hệ lên men được phối hợp như thế nào: bởi khí nén, bởi bộ phận chuyển động cơ học bên trong, hoặc bởi bơm chất lỏng bên ngoài. Các hệ lên men tiêu biểu trong mỗi loại được trình bày ở bảng 4.1, và các ưu điểm và nhược điểm của ba loại hệ lên men cơ bản được trình bày ở bảng 4.2. Bảng 4.1. Phân loại các hệ lên men. Nguồn trộn sơ cấp Loại bình nuôi Khí nén Các bộ phận chuyển Bơm ở bên ngoài động bên trong Thùng - Thùng khuấy - Cột Cột bong bóng Nhiều giai đoạn Khay sàng (rây) Cột hình nón (hoặc đợt) Đệm nhồi Vòng Áp lực không khí Vòng chân vịt Vòng tia đẩy lên theo chu kỳ 1. Hệ lên men cột (column fermenter) Hệ lên men đơn giản nhất là hệ lên men cột bong bóng (còn gọi là hệ lên men tháp-tower fermenter), thường bao gồm một bình trụ dài, có bộ phận phun khí ở dưới đáy (Hình 4.13 a-c). Các thành phần của hệ lên men được trộn bằng cách tăng số lượng bong bóng lên, cũng là yếu tố có thể cung cấp oxygen cần thiết cho tế bào. Khi các tế bào lắng xuống, nồng độ Công nghệ tế bào 52
53. cao của tế bào có thể được duy trì ở phần thấp hơn của cột mà không có bất kỳ một thiết bị nào để tách rời chúng. Tuy nhiên, hệ lên men cột bong bóng thường bị hạn chế ở trường hợp lên men hiếu khí và việc tăng các bong bóng không thể cung cấp một sự pha trộn đầy đủ cho sự sinh trưởng tối ưu. Chỉ có phần thấp hơn của cột có thể duy trì nồng độ tế bào cao dẫn đến sự lên men ban đầu nhanh được tiếp theo bởi sự lên men chậm hơn do các cơ chất mong muốn bị giảm đi. Khi nồng độ tế bào tăng lên trong hệ lên men, cần có lưu tốc không khí cao để duy trì dịch huyền phù tế bào và sự pha trộn. Tuy nhiên, lưu tốc không khí tăng lên có thể gây ra sự tạo bọt nhiều và việc duy trì các bong bóng khí trong cột dẫn đến làm giảm hiệu suất của hệ lên men. Khi bong bóng tăng lên nhiều trong cột chúng có thể kết thành một khối nhanh chóng làm giảm tốc độ chuyển oxygen. Vì thế, các hệ lên men cột có thể không thay đổi được và hạn chế một phạm vi khá hẹp các điều kiện hoạt động. Bảng 4.2. Ưu điểm và nhược điểm của cấu hình ba hệ lên men cơ bản. Loại Ưu điểm Nhược điểm Thùng 1. Linh hoạt và dễ thích ứng 1. Tiêu thụ công suất lớn khuấy 2. Phạm vi mật độ pha trộn rộng 2. Gây tổn hại cho các tế 3. Có thể sử dụng môi trường có độ bào mẫn cảm với lực trượt nhớt cao 3. Giá thành thiết bị cao Cột 1. Không có các bộ phận chuyển động 1. Pha trộn kém bong 2. Đơn giản 2. Tạo bọt dư thừa bóng 3. Giá thành thiết bị thấp 3. Giới hạn đối với hệ 4. Nồng độ tế bào cao thống có độ nhớt thấp Lực 1. Không có các bộ phận chuyển động 1. Pha trộn kém đẩy 2. Đơn giản 2. Tạo bọt dư thừa không 3. Hiệu suất hút khí cao 3. Giới hạn đối với hệ khí 4. Chuyển nhiệt tốt thống có độ nhớt thấp Để khắc phục nhược điểm của hệ lên men cột, một vài kiểu thiết kế khác đã được đề xuất. Hệ lên men cột hình chóp ngược (Hình 4.13 b) có thể Công nghệ tế bào 53
54. duy trì lưu tốc không khí cao trên một đơn vị diện tích ở phần thấp hơn của hệ lên men mà ở đó có nồng độ tế bào cao. Một vài khay sàng lọc có thể được cài đặt trong cột (Hình 4.13 c) để tăng hiệu quả tiếp xúc khí-chất lỏng và phá vỡ sự kết khối của bong bóng khí. Để tăng cường sự pha trộn mà không có các phần chuyển động bên trong, dịch lên men (môi trường) có thể được bơm ra ngoài và quay vòng (tuần hoàn) bằng cách dùng một bơm chất lỏng ở bên ngoài (Hình 4.13 d và e). Không khí (a) (b) (c) (d) (e) Hình 4.13. Các hệ lên men cột: (a) cột bong bóng (bubble column), (b) cột hình nón (tapered column), (c) cột bong bóng có khay sàng lọc (sieve-tray bubble column), (d) cột bong bóng có khay sàng lọc với bơm ở bên ngoài, (e) cột nhồi (packed-bed) với bơm ở bên ngoài. 2. Hệ lên men vòng (loop fermenter) Hệ lên men vòng là hệ lên men thùng (tank fermenter) hoặc cột (column fermenter) có vòng lưu thông chất lỏng, nó có thể là một ống thông gió ở giữa hoặc là một cái vòng ở bên ngoài. Tùy thuộc vào sự lưu thông chất lỏng được tạo ra như thế nào, mà hệ lên men được phân loại thành ba kiểu: lực đẩy không khí (air-lift), vòng khuấy (stirred loop) và vòi phun (jet loop) (Hình 4.14). Sự lưu thông chất lỏng của hệ lên men dùng lực đẩy nhờ vào việc phun không khí để tạo ra sự khác nhau về mật độ giữa phần giàu bong bóng của chất lỏng trong tấm đứng (riser) và phần được rút hết bong bóng nặng hơn của chất lỏng trong đáy thùng (downcomer) (Hình 4.14 a). Sự pha trộn và lưu thông chất lỏng trong thùng lên men có thể được tăng cường bằng cách gắn thêm một bộ phận bơm ở bên ngoài (Hình 4.14 b). Tuy nhiên, việc bổ sung Công nghệ tế bào 54
55. bơm đã làm giảm ưu điểm của hệ lên men nhờ lực đẩy không khí là hiệu suất năng lượng thấp và đơn giản. Hệ lên men áp lực chu kỳ ICI (Imperial Chemical Industries Ltd., England) là một hệ lên men dùng lực đẩy không khí với một vòng bên ngoài (outer loop) được phát triển cho lên men hiếu khí đòi hỏi có sự chuyển nhiệt. Môi trường và không khí được đưa vào trong các phần cao hơn và thấp hơn (Hình 4.14 c). Không khí phục vụ cho hai mục đích: cung cấp oxygen cần thiết cho sự sinh trưởng của tế bào và tạo ra sự lưu thông tự nhiên của chất lỏng trong hệ lên men thông qua một cái vòng. Bộ phận trao đổi nhiệt để làm lạnh môi trường lỏng được cài đặt vào trong cái vòng đó. Hệ lên men này đã được chứng minh là tạo ra một tốc độ hấp thụ oxygen cao trên một đơn vị thể tích. Không khí (a) (b) (c) Hình 4.14. Các hệ lên men vòng: (a) lực đẩy không khí, (b) lực đẩy không khí có bơm bên ngoài, (c) áp lực chu kỳ ICI. IV. Các ký hiệu B tốc độ chảy của dòng xả, m3/s β tỷ lệ xả, được định nghĩa như B/F CP nồng độ sản phẩm C nồng độ sản phẩm đưa vào Pi CS nồng độ cơ chất ' CS nồng độ cơ chất ở điểm phối trộn của dòng chảy vào và dòng chảy thu hồi Công nghệ tế bào 55
56. C nồng độ cơ chất tại thời điểm t0 S0 C nồng độ cơ chất sau khi ra khỏi hệ lên men S f C nồng độ cơ chất đưa vào Si CS,opt nồng độ cơ chất tối ưu CX nồng độ tế bào ' CX nồng độ tế bào ở điểm phối trộn của dòng chảy vào và dòng chảy thu hồi C nồng độ tế bào tại thời điểm t0 X 0 C nồng độ tế bào sau khi ra khỏi hệ lên men X f C nồng độ tế bào đưa vào X i C nồng độ tế bào thu hồi qua lọc X L C nồng độ tế bào của dòng chảy thu hồi X R CX ,opt nồng độ tế bào tối ưu D tốc độ pha loãng, s-1 F tốc độ dòng chảy, m3/s τ m thời gian lưu, s τ m,opt thời gian lưu tối ưu, s τ p thời gian lưu dựa trên tốc độ dòng chảy của toàn bộ hệ thống τb thời gian lưu cần thiết để nuôi cấy mẻ hoặc PFF trạng thái ổn định đạt tới một nồng độ tế bào nhất định KS hệ số hệ thống L tốc độ dòng chảy qua lọc, m3/s µ tốc độ sinh trưởng đặc trưng, s-1 hoặc kg/m3/s µmax tốc độ sinh trưởng cực đại R tốc độ thu hồi rX tốc độ sinh trưởng tế bào V thể tích làm việc của hệ lên men, m3 YP/S hiệu suất sản phẩm/cơ chất Công nghệ tế bào 56
57. YX/S hiệu suất sinh trưởng/cơ chất X tế bào trên cơ sở trọng lượng khô Tài liệu tham khảo/đọc thêm 1. Asenjo JA and Merchuk JC. 1995. Bioreactor System Design. Marcel Dekker, Inc. New York, USA. 2. Atkinson B and Mavituna F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. 2nd ed. Stockton Press, New York, USA. 3. Flickinger MC and Drew SW. 1999. Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation. John Wiley & Sons, New York, USA. 4. Lee JM. 2001. Biochemical Engineering. Prentice Hall, Inc. USA. 5. Shuler ML and Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering-Basic Concepts. 2nd ed. Prentice Hall, Inc. NJ, USA. 6. Vogel HC and Todaro CL. 1997. Fermentation and Biochemical Engineering Handbook (Principles, Process Design, and Equipment). 2nd ed. Noyes Publications. New Jersey, USA. Công nghệ tế bào 57
58. Chương 5 Nuôi cấy tế bào vi sinh vật Mặc dù cho đến thế kỷ 19 vai trò của vi sinh vật trong những biến đổi sinh học vẫn không được thừa nhận, nhưng con người đã sử dụng vi sinh vật từ rất lâu trong việc chế biến thực phẩm, thức uống có cồn, sản xuất sữa, dệt vải Ngày nay, việc sử dụng vi sinh vật rộng rãi hơn trước đây rất nhiều. Chúng không chỉ được dùng trong các quá trình vi sinh vật truyền thống mà còn cho các quá trình mới như sản xuất dược phẩm, hóa chất công nghiệp, enzyme, hóa chất nông nghiệp, xử lý nước thải, lọc khoáng và các công nghệ DNA tái tổ hợp. Chương này chỉ tập trung giới thiệu các ứng dụng của nuôi cấy tế bào vi sinh vật trong sản xuất dược phẩm (đặc biệt là dược phẩm DNA tái tổ hợp) và sản xuất enzyme. I. Tế bào vi sinh vật Tất cả các cơ thể sống được Haekel (1866) phân loại thành giới động vật (animal kingdom), giới thực vật (plant kingdom) và sinh vật đơn bào (protist) như trình bày trong bảng 5.1. Các protist được xem là các cơ thể sống tương đối đơn giản so với thực vật và động vật. Chúng bao gồm tảo, động vật nguyên sinh, nấm và vi khuẩn. Sự phát triển của kính hiển vi điện tử đã cho phép các nhà khoa học thừa nhận rằng cấu trúc đơn vị của tất cả các cơ thể sống được phân chia trong hai loại: sinh vật tiền nhân (prokaryotes) và sinh vật nhân thật (eukaryotes). Các tế bào tiền nhân là đơn vị cấu trúc trong hai nhóm vi sinh vật: vi khuẩn và tảo lam (còn gọi là vi khuẩn lam-cyanobacteria). Các tế bào tiền nhân có kích thước nhỏ và đơn giản như trình bày ở hình 5.1, nó không được chia thành ngăn bởi các hệ thống màng đơn vị (unit membrane systems). Các tế bào chỉ có hai vùng bên trong được phân biệt cấu trúc là: tế bào chất và vùng nhân (hoặc dịch nhân). Tế bào chất có các chấm dạng hạt màu tối chính là thành phần ribosome, bao gồm protein và ribonucleic acid (RNA). Ribosome là nơi xảy ra các phản ứng hóa sinh quan trọng cho sự tổng hợp protein. Vùng nhân có dạng không đều, rất biệt lập mặc dù nó không được giới hạn bởi màng. Vùng nhân chứa deoxyribonucleotic acid Công nghệ tế bào 58
59. (DNA) mang thông tin di truyền xác định sự sản xuất protein và các chất khác của tế bào cũng như xác định các cấu trúc của nó. Bảng 5.1. Phân loại các cơ thể sống. Đa bào Động vật Nhân thật1 Thực vật Đơn bào Sinh vật đơn Tảo (Algae) Nhân thật 2 bào Động vật nguyên sinh (Protozoa) Nấm (Fungi) Nấm mốc (Molds) Nấm men (Yeasts) Vi khuẩn (Bacteria) Tiền nhân3 Thành tế bào Màng tế bào Ribosome Vùng nhân Tế bào chất Hình 5.1. Minh họa một tế bào đặc trưng của sinh vật tiền nhân. Các tế bào prokaryote được bao quanh bởi thành tế bào (cell wall) và màng tế bào (cell membrane), thành tế bào thường dày hơn màng tế bào, bảo vệ tế bào khỏi các ảnh hưởng từ bên ngoài. Màng tế bào (hoặc màng tế bào chất) là một hàng rào chọn lọc giữa phần bên trong tế bào và môi 1 Nhân thật: còn gọi là nhân chuẩn. 2 Sinh vật đơn bào: còn gọi là sinh vật nguyên sinh. 3 Tiền nhân: còn gọi là nhân sơ. Công nghệ tế bào 59
60. trường bên ngoài. Các phân tử lớn nhất được biết đã đi qua màng này là các đoạn DNA và các protein có trọng lượng phân tử thấp. Màng tế bào có thể được gấp lại và mở rộng trong tế bào chất. Màng tế bào như là bề mặt mà trên đó các chất khác của tế bào được gắn vào và giữ nhiều chức năng quan trọng của tế bào. Màng tế bào Lysosome Tế bào chất Màng nhân Hạch nhân Nhân Nhiễm sắc thể Không bào Lưới nội sinh chất Ty thể Ribosome Hình 5.2. Minh họa một tế bào đặc trưng của sinh vật nhân thật. Các tế bào eukaryote phức tạp hơn, chúng là cấu trúc đơn vị ở động vật, thực vật, protozoa, nấm và tảo. Tế bào eukaryote có các hệ thống màng đơn vị bên trong để tách biệt nhiều thành phần chức năng của tế bào như trình bày ở hình 5.2. Các tế bào eukaryote lớn hơn và phức tạp hơn các tế bào prokaryote từ 1.000-10.000 lần. Nhân được bao bọc chung quanh bởi một màng đôi có các lỗ nhỏ rộng từ 40-70 µm, bên trong nhân chứa các nhiễm sắc thể. Nhân điều hòa các tính chất di truyền và tất cả các hoạt động sống của tế bào. Nhiễm sắc thể dài và là các thể sợi mảnh, chứa các gen sắp xếp trên một chuỗi mạch thẳng trong các nucleoprotein (protein cộng nucleic acid). Tế bào chất chứa một số lớn các hạt gọi là ribosome cần thiết trong các phản ứng liên tục để tổng hợp các nguyên liệu tế bào. Ribosome được tập trung một cách đặc biệt dọc theo bề mặt xù xì của lưới nội sinh chất, một mạng lưới không đều của các kênh nối liền nhau được phân định với màng. Ty thể chứa các enzyme vận chuyển điện tử sử dụng oxygen trong quá trình sản sinh ra năng lượng. Không bào và lysosome là các cơ quan tử giúp cách ly các phản ứng hóa học khác nhau trong tế bào. Công nghệ tế bào 60
61. II. Vi khuẩn 1. Hình dạng Vi khuẩn là những cơ thể sống đơn bào có kích thước hiển vi. Hiện nay, người ta đã biết được khoảng 1.500 loài trong tất cả môi trường tự nhiên. Đường kính đặc trưng của tế bào vi khuẩn trong khoảng 0,5-1 µm. Chiều dài của vi khuẩn rất khác nhau. Vi khuẩn xuất hiện trong các dạng như sau: cocci (có dạng hình cầu hoặc hình trứng), bacilli (có dạng hình trụ hoặc hình que), spirilla (có dạng cuộn xoắn ốc). 2. Kiểu sinh trưởng Vi khuẩn sinh sản chủ yếu theo phương thức phân đôi (binary fission) như được minh họa trong hình 5.3. Quá trình này bao gồm một số bước sau: kéo dài tế bào, lõm vào của thành tế bào, phân phối nguyên liệu của nhân, bắt đầu hình thành một vách ngăn ngang, phân phối nguyên liệu tế bào vào trong hai tế bào, và phân chia thành hai tế bào mới. Đây là quá trình sinh sản vô tính. 3. Các điều kiện vật lý ảnh hưởng đến sinh trưởng Ba nhân tố vật lý chủ yếu ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi khuẩn là nhiệt độ, oxygen và độ pH. Do sự sinh trưởng và hoạt tính của vi khuẩn biểu thị sự hoạt động của enzyme, và do tốc độ của các phản ứng enzyme tăng lên cùng với việc tăng nhiệt độ, cho nên tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ. Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ mà chúng sinh trưởng, vi khuẩn sẽ được gọi là psychrophiles4, mesophiles5 hoặc thermophiles6. Phạm vi nhiệt độ mà mỗi nhóm có khả năng sinh trưởng và nhiệt độ tối ưu được trình bày trong bảng 5.2. Các khí quan trọng chủ yếu trong nuôi cấy vi khuẩn là oxygen và CO2. Có thể chia ra bốn loại vi khuẩn tùy theo sự phản ứng của chúng đối với oxygen như sau: - Vi khuẩn hiếu khí sinh trưởng trong sự có mặt của oxygen tự do. - Vi khuẩn kỵ khí sinh trưởng trong điều kiện không có oxygen tự do. 4 Psychrophiles: vi khuẩn ưa lạnh (dưới -20oC). 5 Mesophiles: vi khuẩn ưa nhiệt trung bình. 6 Thermophiles: vi khuẩn ưa nhiệt độ cao. Công nghệ tế bào 61
62. - Vi khuẩn kỵ khí tùy ý sinh trưởng trong điều kiện có oxygen tự do hoặc không. - Vi khuẩn ưa ít oxygen sinh trưởng trong sự có mặt một lượng rất ít oxy tự do. Hình 5.3. Vi khuẩn sinh sản bằng cách phân đôi. Bảng 5.2. Phạm vi nhiệt độ thích hợp cho sinh trưởng của các loại vi khuẩn khác nhau. Loại vi khuẩn Phạm vi nhiệt độ cho Nhiệt độ tối ưu sinh trưởng Psychrophiles -7 ~ 35oC 20 ~ 30oC Mesophiles 7 ~ 45oC 30 ~ 40oC Thermophiles 40 ~ 75oC 45 ~ 60oC Đối với hầu hết vi khuẩn, độ pH tối ưu cho sinh trưởng nằm trong khoảng 6,5-7,5. Mặc dù, một vài vi khuẩn có thể sinh trưởng ở phạm vi pH cực đoan, nhưng ở hầu hết các loài giới hạn cực đại và cực tiểu nằm trong khoảng giữa pH 4 và pH 9. III. Vi nấm Nấm nói chung là các thực vật không có chlorophyll và vì thế không thể tự tổng hợp các chất dinh dưỡng cho chúng. Chúng rất khác nhau về kích thước và hình dạng, từ nấm men đơn bào (single-cell yeast) đến nấm ăn đa bào (multicellular mushroom). Trong số chúng, nấm men và nấm mốc là những loại nấm công nghiệp quan trọng. Công nghệ tế bào 62
63. 1. Nấm men Nấm men được phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Chúng được tìm thấy trong trong quả, hạt và các loại thực phẩm có chứa đường khác. Chúng cũng có ở trong đất, trong không khí, trên da và trong ruột động vật. Do nấm men không có chlorophyll (diệp lục tố), cho nên chúng phụ thuộc vào thực vật bậc cao và động vật để có được năng lượng cho các hoạt động sống. Nấm men nói chung là các cơ thể đơn bào, có hình dạng từ hình cầu đến hình trứng. Kích thước của chúng rộng từ 1-5 µm và dài từ 5-30 µm. Thành tế bào ở tế bào non thường mỏng và trở nên dày ở tế bào già. Kiểu sinh trưởng phổ biến nhất ở nấm men là nảy chồi (budding), đây là một quá trình sinh sản vô tính như minh hoạ ở hình 5.4. Một chồi nhỏ (hoặc tế bào con-daughter cell) được tạo thành trên bề mặt của tế bào trưởng thành. Chồi sinh trưởng và được làm đầy các nguyên liệu nhân và tế bào chất từ tế bào bố mẹ. Khi chồi lớn bằng bố mẹ, thì bộ máy nhân ở cả hai tế bào được thay đổi và tế bào được phân cắt. Tế bào con có thể bám vào tế bào bố mẹ, thường là ngay sau khi tế bào phân chia. Nấm men quan trọng nhất là các chủng của Saccharomyces cerevisiae được dùng trong sản xuất rượu vang, bia và bột nở bánh mì. Hình 5.4. Kiểu sinh trưởng đặc trưng của nấm men bằng cách nảy chồi. 2. Nấm mốc Nấm mốc là loại nấm dạng sợi (Hình 5.5). Một tế bào sinh sản đơn hoặc bào tử (bào tử hạt đính-conidia) được nảy mầm để tạo thành một sợi dài gọi là sợi nấm (hyphae) phân cành lặp lại khi nó kéo dài một cấu trúc sinh dưỡng gọi là hệ sợi nấm (mycelium). Hệ này bao gồm một khối tế bào chất đa nhân ở trong một hệ thống các ống phân cành nhiều và cứng. Do hệ Công nghệ tế bào 63
64. sợi nấm có khả năng sinh trưởng vô hạn, cho nên nó có thể đạt tới các kích thước vĩ mô. Sợi nấm Bào tử (bào tử đính) Hình 5.5. Kiểu sinh trưởng của nấm sợi bằng cách phân cành. Các loại nấm mốc quan trọng nhất trong công nghiệp là Aspergillus và Penicillium. Mốc được sử dụng trong sản xuất kháng sinh, hóa chất công nghiệp, enzyme, và các thực phẩm bổ sung. IV. Môi trường nuôi cấy Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong môi trường dinh dưỡng nhân tạo được gọi là nuôi cấy (cultivation). Một kiểu nuôi cấy chỉ chứa một loại vi sinh vật được gọi là nuôi cấy thuần khiết (pure culture). Nuôi cấy hỗn hợp (mixed culture) là một loại nuôi cấy chứa nhiều hơn một loại vi sinh vật. Các bước cần thiết cho nuôi cấy vi sinh vật là như sau: - Chuẩn bị môi trường nuôi cấy cho phép vi sinh vật có thể sinh trưởng tốt nhất. - Khử trùng môi trường để loại bỏ tất cả các cơ thể sống có trong bình nuôi cấy. - Cấy vi sinh vật vào trong môi trường đã chuẩn bị. Để nuôi cấy vi sinh vật, môi trường nuôi cấy phải được chuẩn bị trong những loại bình nuôi được sử dụng phổ biến nhất, chẳng hạn ống nghiệm, bình tam giác, đĩa petri hoặc nồi lên men. Có hai loại môi trường nuôi cấy chính: môi trường tự nhiên (dựa trên kinh nghiệm) và môi trường tổng hợp (thành phần hóa học xác định). Nói chung, các môi trường dinh dưỡng rất Công nghệ tế bào 64