Giáo trình CÔNG NGHỆ TẾ BÀO - Nhà xuất bản Đại học Huế Phần 3 ppt

CXo Cso F V, CX , CS C X = CX o Cs = Cso F to t = to t CX Cs (a) CX f CS f τp (b) Hình 4.2 Sơ đồ (a) hệ lên men thùng khuấy mẻ (b) hệ lên men dòng nút Để thu phương trình hiệu suất lên men mẻ, cần lấy tích phân phương trình (4.1) được: CX ∫ CX C t X dC X dC X = ∫ = ∫ dt = t − t rX µC X t0 CX (4.2) Cần lưu ý rằng, phương trình (4.2) ứng dụng rX > Vì thế, t (trong phương trình 4.2) khơng phải thời gian ni cấy ban đầu sau tiếp mẫu, mà thời gian tế bào khởi động sinh trưởng, giai đoạn pha sinh trưởng bắt đầu tăng nhanh Theo phương trình (4.2), thời gian sinh trưởng mẻ t − t diện tích phía đường cong 1/rX theo C X C X C X (Hình 4.3) Đường cong liên tục hình 4.3 tính tốn phương trình Monod vùng có màu tối t − t Thời gian sinh trưởng mẻ ước lượng đồ thị để xác định dựa vào đường cong t theo C X đơn giản Tuy nhiên, biểu diễn đồ thị thuận tiện việc so sánh tiềm cấu hình hệ lên men khác (sẽ thảo luận sau) Lúc lưu ý rằng, đường cong có màu tối dạng chữ U đặc trưng phản ứng xúc tác tự động: S+X→X+X Công nghệ tế bào 36 rX CX Hình 4.3 Đồ thị thời gian sinh trưởng mẻ t − t (vùng tối) Đường cong liên tục biểu diễn mơ hình Monod với µ max = 0,935/giờ; K S = 0,71 g/L; YX/S = 0,6; C X = 1,6 g/L; CS = 10 g/L Tốc độ khởi đầu phản ứng xúc tác tự động chậm nồng độ X thấp Tốc độ phản ứng tăng lên tế bào sinh sản sau đạt đến tốc độ tối đa Khi lượng chất giảm sản phẩm độc tích lũy, tốc độ phản ứng giảm xuống giá trị thấp Nếu động học Monod (Monod kinetics) biểu diễn thích hợp tốc độ sinh trưởng suốt pha hàm mũ, thay phương trình (3.11) chương vào phương trình (4.2) để có được: CX ∫ CX t ( K S + C S )dC X = ∫ dt µ max C S C X t0 (4.3) Phương trình (4.3) tính tích phân biết mối quan hệ CS CX Người ta quan sát thấy số lượng sinh khối tế bào sản xuất tỷ lệ với lượng chất giới hạn tiêu thụ Hiệu suất sinh trưởng ( Y X/S ) định nghĩa sau: YX/S = C X − CX0 ∆C X = − ∆C S − (C S −C S0 ) (4.4) Thay phương trình (4.4) vào phương trình (4.3), tích phân phương trình tổng hợp đưa mối quan hệ nồng độ tế bào thời gian: Cơng nghệ tế bào 37 (t − t )µ max ⎛ ⎞ C CS K S YX / S K S YX / S =⎜ + 1⎟ ln X + ln ⎜ C X + C S YX / S ⎟ CX C X + C S0 YX / S CS 0 ⎝ ⎠ (4.5) Hệ lên men thùng khuấy liên tục (continuous stirred-tank fermenterCSTF) lý tưởng Quần thể tế bào tiếp tục giai đoạn sinh trưởng hàm mũ thời gian dài cách trì hệ thống ni 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 ni) kết nối với bình chứa mơi trường vơ trùng Khi q trình sinh trưởng bắt đầu mơi trường cung cấp liên tục từ bình chứa mơi trường Hệ thống ni cấy liên tục hoạt động chemostat (thể ổn định hóa tính) turbidostat (thể ổn định độ đục) Trong chemostat tốc độ dòng chảy cài đặt giá trị đặc biệt tốc độ sinh trưởng nuôi cấy điều chỉnh tốc độ dịng chảy Nói chung, hoạt động chemostat dễ dàng turbidostat, thực cách đặt máy bơm tốc độ dòng chảy khơng đổi, turbidostat địi hỏi thiết bị cảm quang (optical sensing device) điều chỉnh (controller) Tuy nhiên, turbidostat giới thiệu hệ lên men liên tục cần tiến hành tốc độ pha lỗng cao gần với điểm rửa trơi (washout point), ta ngăn cản rửa trơi cách điều hịa tốc độ dịng chảy trường hợp thất tế bào thơng qua dịng chảy vượt sinh trưởng tế bào hệ lên men F CXi Csi V, CX , CS CX F C s Hình 4.4 Sơ đồ hệ lên men thùng khuấy liên tục (CSTF) Công nghệ tế bào 38 Cân nguyên liệu cho tế bào CSTF (Hình 4.4) viết sau: FC X i − FC X + VrX = V dC X dt (4.6) Trong đó: rX tốc độ sinh trưởng tế bào hệ lên men dC X / dt biểu diễn thay đổi nồng độ tế bào hệ lên men theo thời gian Đối với CSTF hoạt động trạng thái ổn định, thay đổi nồng độ tế bào theo thời gian không (dCX / dt = 0) tế bào bình ni sinh trưởng đủ nhanh để thay tế bào bị hao hụt theo dòng chảy ngồi, phương trình (4.6) trở thành: τm = V C X − C Xi = F rX (4.7) Phương trình (4.7) cho thấy thời gian lưu cần thiết (τm) diện tích hình chữ nhật có chiều rộng C X − C X i chiều cao / rX đường cong / rX theo CX Hình 4.5 biểu diễn đường cong / rX theo CX Diện tích hình chữ nhật tơ đậm hình thời gian lưu CSTF dịng chảy vào vô trùng Minh họa thời gian lưu đồ thị giúp so sánh hiệu hệ lên men Hệ lên men có thời gian lưu ngắn (để đạt tới nồng độ tế bào định) hiệu Hoạt động tối ưu hệ lên men dựa minh họa đồ thị thảo luận phần rX 2 CX Hình 4.5 Minh họa đồ thị ước lượng thời gian lưu cho CSTF Đường biểu diễn mơ hình Monod với µ max = 0,935/giờ; K S = 0,71 g/L; Y X/S = 0,6; CS i = 10 g/L; C X i = Công nghệ tế bào 39 Nếu dịng chảy vào vơ trùng (C X i = 0), tế bào CSTF sinh trưởng theo hàm mũ (rX = µC X ) phương trình (4.7) trở thành: τm = µ D = (4.8) Trong đó: D biết tốc độ pha lỗng có giá trị nghịch đảo thời gian lưu ( τ m ) Vì thế, CSTF trạng thái ổn định có chất dinh dưỡng vơ trùng, tốc độ sinh trưởng đặc trưng tốc độ pha loãng Mặt khác, tốc độ sinh trưởng đặc trưng tế bào điều chỉnh cách thay đổi tốc độ dịng chảy mơi trường Nếu tốc độ sinh trưởng biểu diễn phương trình Monod, sau đó: D=µ= τm = µ max C S K S + CS (4.9) Từ phương trình (4.9), CS tính tốn thời gian lưu biết thông số động học Monod sau: CS = KS τ m µ max − (4.10) Tuy nhiên, cần ý phương trình (4.10) có giá trị τ m µ max > Nếu τ m µ max < , tốc độ sinh trưởng tế bào thấp tốc độ tế bào thất theo dịng chảy ngồi Do đó, tất tế bào hệ lên men bị rửa trơi, phương trình (4.10) khơng có giá trị Nếu hiệu suất sinh trưởng (YX / S ) số, sau đó: C X = YX / S (C Si − CS ) (4.11) Thay phương trình (4.10) vào phương trình (4.11) cho hiệu suất tương quan CX sau: ⎞ ⎛ KS ⎟ C X = Y X / S ⎜ C Si − ⎜ τ m µ max − ⎟ ⎠ ⎝ Công nghệ tế bào (4.12) 40 Tương tự: ⎞ ⎛ KS ⎟ CP = CPi + YP / S ⎜ CS i − ⎜ τ m µ max − ⎟ ⎠ ⎝ (4.13) Trong đó: CP nồng độ sản phẩm, CPi nồng độ sản phẩm đưa vào Một lần nữa, phương trình (4.12) (4.13) có giá trị τ m µ max > Trong phần này, đặt cân nguyên liệu cho nồng độ tế bào thu phương trình khác cho CSTF Các phương trình tương tự thu cách đặt cân nguyên liệu cho nồng độ chất nồng độ sản phẩm Ước lượng thông số động học Monod Đẳng thức tốc độ sinh trưởng đặc trưng tốc độ pha loãng CSTF trạng thái ổn định (phương trình 4.9) tiện lợi nghiên cứu ảnh hưởng thành phần khác môi trường lên tốc độ sinh trưởng đặc trưng Bằng cách đo nồng độ chất trạng thái ổn định với tốc độ dòng chảy khác nhau, mơ hình động học khác thử nghiệm giá trị thơng số động học ước lượng Sắp xếp lại phương trình (4.9) thu mối quan hệ tuyến tính sau: µ = KS µmax × 1 + CS µmax (4.14) Trong đó: µ tốc độ pha loãng (D) cho chemostat Nếu tế bào định tuân theo động học Monod, đồ thị / µ theo / CS đem lại giá trị µ max KS (bằng cách đọc phần bị chặn độ dốc đường thẳng) Đồ thị có ưu điểm cho thấy mối quan hệ biến độc lập (CS) biến phụ thuộc µ Tuy nhiên, / µ tiến tới ∞ nồng độ chất giảm dẫn đến trọng lượng vượt mức để đo nồng độ chất thấp trọng lượng không đủ để đo nồng độ chất cao Phương trình (4.9) xếp lại để đưa mối quan hệ tuyến tính ứng dụng thay cho phương trình (4.14) nhằm ước lượng tốt thông số trường hợp định: Công nghệ tế bào 41 CS µ = KS µ max + CS µ max µ = µ max − K S µ CS (4.15) (4.16) Tuy nhiên, giới hạn phép tính gần (để xác định thơng số động học) gặp khó khăn sử dụng CSTF Đối với trường hợp vận hành theo mẻ, chí dùng bình tam giác lắc máy lắc để vận hành nhiều mẻ với điều kiện khác thời gian Vận hành theo mẻ nồi lên men có khuấy khơng khó khăn lắm, khơng có kết nối vào (ngoại trừ phận cung cấp khơng khí) thời gian vận hành ngắn, có nguy nhiễm bẩn hệ lên men Để vận hành CSTF, cần có nguồn cung cấp dinh dưỡng tích trữ sản phẩm kết nối vơ trùng với hệ lên men Tốc độ dòng chảy vào khỏi hệ lên men cần kiểm sốt cách xác Thỉnh thoảng, việc kiểm sốt tốc độ dịng chảy gặp khó khăn tạo bọt kết khối tế bào Do thời gian vận hành vài ngày chí tuần để đạt tới trạng thái ổn định (cũng gây biến đổi tốc độ pha lỗng), ln có rủi ro cao hệ lên men bị nhiễm bẩn Thường xuyên gặp khó khăn việc đạt tới trạng thái ổn định đột biến tế bào khả thích nghi với mơi trường chúng Hơn nữa, hầu hết hệ lên men quy mô lớn tiến hành kiểu mẻ, thông số động học xác định nghiên cứu chemostat phải dự báo sinh trưởng kiểu lên men Tuy nhiên, chứng (kiểm tra xác minh) mơ hình động học ước lượng thông số động học cách vận hành chemostat phương pháp đáng tin cậy điều kiện mơi trường khơng thay đổi Các số liệu vận hành theo mẻ dùng để xác định thông số động học, cho dù khơng phải phương thức giới thiệu cao Tốc độ sinh trưởng đặc trưng suốt trình vận hành theo mẻ ước lượng cách đo độ dốc đường cong nồng độ tế bào theo thời gian điểm khác Nồng độ chất cần thiết đo điểm nơi mà độ dốc đọc Sau đồ thị theo phương trình (4.14), (4.15) (4.16) xây dựng để xác định Cơng nghệ tế bào 42 thông số động học Tuy nhiên, giá trị thông số thu phương pháp cần thiết khảo sát cẩn thận xem chúng có phạm vi hợp lý cho tế bào kiểm tra hay không Hiệu suất CSTF Thông thường, hiệu suất hệ lên men hiểu số lượng sản phẩm sản xuất đơn vị thời gian thể tích Nếu dịng chảy vào vơ trùng (C X i = 0) hiệu suất sinh khối tế bào C X / τ m , độ dốc đường thẳng OAB đường cong CX theo τm (Hình 4.6) 10 CX C B A O D τm Hình 4.6 Sự thay đổi nồng độ tế bào chất hàm thời gian lưu Hiệu suất độ dốc đường thẳng OAB Đường cong vẽ mơ hình Monod với µmax = 0,935/giờ; KS = 0,71 g/L; YX/S = 0,6; C S i = 10 g/L Hiệu suất điểm A hiệu suất điểm B Ở điểm A nồng độ tế bào dòng chảy thấp thời gian lưu lại ngắn, mơi trường chảy qua dễ dàng Ngược lại, điểm B nồng độ tế bào dòng chảy cao thời gian lưu lại dài có lượng nhỏ môi trường chảy qua Điểm A vùng khơng ổn định gần với điểm rửa trơi D, cần dao động nhỏ thời gian lưu đem lại thay đổi lớn nồng độ tế bào Khi độ dốc đường thẳng Công nghệ tế bào 43 tăng lên hiệu suất tăng độ dài AB giảm Độ dốc đường thẳng đạt giá trị cực đại đường tiếp tuyến đường cong CX Vì thế, giá trị hiệu suất cực đại độ dốc đường OC Hiệu suất cực đại đạt điểm D Điều kiện hoạt động để đạt hiệu suất cực đại CSTF ước lượng theo đồ thị cách dùng đường cong / rX theo CX Hiệu suất cực đại thu thời gian lưu tối thiểu Vì thời gian lưu diện tích hình chữ nhật với chiều rộng CX chiều cao / rX đường cong / rX theo CX, đạt tối thiểu / rX tối thiểu (Hình 4.7) rX 2 CX Hình 4.7 Minh họa đồ thị CSTF với hiệu suất cực đại Đường liên tục biểu diễn cho mơ hình Monod với µmax = 0,935/giờ; KS = 0,71 g/L; YX/S = 0,6; C Si = 10 g/L; C X i = Điều cần lưu ý điều chỉnh phương trình cho nồng độ tế bào thời gian lưu để 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: CX τm = rX = µ max C S C X (4.17) K S + CS Hiệu suất đạt cực đại drX / dC X = 0, sau thay CS = CS i − C X / YX / S vào phương trình (4.17), lấy tích phân theo CX đặt phương trình tổng hợp 0, thu nồng độ tế bào tối ưu (C X ,opt ) cho hiệu suất cực đại sau: Công nghệ tế bào 44 C X , opt = YX / S CS i α α +1 (4.18) Trong đó: α= Vì: C S = C Si − K S + C Si KS (4.19) CX nên nồng độ chất tối ưu (CS, opt) là: YX / S C S ,opt = C Si α +1 (4.20) Thay phương trình (4.20) vào phương trình (4.17) để thu thời gian lưu tối ưu (τm,opt) sau: τ m ,opt = α µ max (α − 1) (4.21) So sánh nuôi cấy hệ lên men mẻ hệ lên men thùng khuấy liên tục Như đề cập, thời gian lưu cần thiết để nuôi cấy mẻ PFF trạng thái ổn định đạt tới nồng độ tế bào định là: τ b = t0 + CX ∫ CX0 dC X rX (4.22) Trong đó: t0 thời gian cần thiết để đạt tới pha sinh trưởng theo hàm mũ Diện tích bên đường cong / rX theo CX, C X i CX τ b − t1 trình bày hình 4.3 Mặt khác, thời gian lưu CSTF biểu diễn phương trình (4.17) diện tích hình chữ nhật với chiều rộng C X − C X i , chiều cao / rX Công nghệ tế bào 45 Vì đường cong / rX theo CX có dạng hình chữ U nên có vài nhận xét cho hệ lên men đơn sau: - Hầu hết hệ lên men sản xuất CSTF hoạt động với nồng độ tế bào mà giá trị / rX tối thiểu (Hình 4.8 a) đòi hỏi thời gian lưu ngắn - Nếu nồng độ cuối tế bào hướng tới pha tĩnh, hệ lên men mẻ chọn lựa tốt CSTF, thời gian lưu cần thiết cho ni cấy mẻ (Hình 4.8 b) ngắn CSTF a rX b rX CX CX Hình 4.8 Minh họa đồ thị thời gian lưu yêu cầu (vùng tối) cho: (a) CSTF (b) hệ lên men mẻ II Thu hồi tế bào Đối với hoạt động liên tục PFF CSTF, tế bào thất với dịng chảy (outlet) hạn chế hiệu suất hệ lên men Vì thế, hiệu suất cải thiện cách thu hồi (recycling) tế bào từ dòng chảy để đưa trở lại hệ lên men Thu hồi tế bào PFF PFF đòi hỏi diện ban đầu tế bào dòng chảy vào (inlet) hệ lên men mẻ đòi hỏi đưa mẫu vào ban đầu Phương thức kinh tế để cung cấp tế bào dòng chảy vào thu hồi phần Cơng nghệ tế bào 46 dịng chảy đưa trở lại dịng chảy vào với (hoặc khơng có) thiết bị tách rời tế bào Hình 4.9 mơ tả sơ đồ thu hồi tế bào PFF Không giống CSTF, PFF khơng địi hỏi thiết bị tách rời tế bào để thu hồi, diện khơng làm tăng đáng kể hiệu suất hệ lên men Phương trình hiệu suất PFF với động học Monod viết sau: τp V = = (1 + R ) F + R CX f ∫ ' CX dC X = rX CX f ∫ ' CX ( K S + C S )dC X µ max C S C X (4.23) Trong đó: τ p thời gian lưu dựa tốc độ dịng chảy tồn hệ thống Thời gian lưu thực tế hệ lên men lớn τ p tốc độ dòng chảy tăng lên nhờ thu hồi tế bào CXi F Csi (1 + R)F C’X C’s B RF CXR , Csf CXf Csf L CXL = Csf Hình 4.9 Sơ đồ thu hồi tế bào PFF Nếu hiệu suất sinh trưởng khơng đổi thì: ' CS = CS − Y X/S ' (C X − C X ) (4.24) Thay phương trình (4.24) vào phương trình (4.23) cho CS lấy tích phân ta có kết sau: τ p µ max ⎞ CX ⎛ K Y K Y C' = ⎜ ' S X/S + 1⎟ ln ' f + ' S X' / S ln S ⎟ C ⎜C + C' Y 1+ R C X + C S YX / S C S f S X/S X ⎠ ⎝ X Công nghệ tế bào (4.25) 47 ' ' Trong đó: C X C S ước lượng từ cân tế bào chất điểm phối trộn dòng chảy vào dòng chảy thu hồi sau: ' CX = ' CS = C X i + RC X R (4.26) 1+ R C Si + RC S R (4.27) 1+ R Nồng độ tế bào dòng chảy ra, ước lượng từ tồn cân tế bào sau: CX f = β [C Xi + Y X/S (C Si − C S f ) ] (4.28) Nồng độ tế bào dịng chảy thu hồi ước lượng từ cân tế bào lọc sau: CXR = 1+ R − β CX f R (4.29) Trong đó: β tỷ lệ xả (bleeding) định nghĩa sau: β= B F (4.30) Hình 4.10 trình bày hiệu tốc độ thu hồi (R) thời gian lưu hệ thống PFF có thu hồi Lưu ý thời gian lưu tính tốn dựa tốc độ dịng chảy vào, thời gian lưu thực hệ lên men Thời gian lưu thực tế hệ thống PFF không quan trọng giảm xuống tăng tốc độ thu hồi Khi β = 1, tốc độ xả tốc độ dòng chảy, tốc độ dòng chảy phần lọc L 0, dịng chảy thu hồi khơng lọc Thời gian lưu vô hạn R giảm rõ rệt R tăng lên Trong trường hợp tỷ lệ thu hồi tối ưu khoảng 0,2 Một đường cong khác hình 4.10 cho β = B / F = 1,8 Thời gian lưu cần thiết giảm cách tập trung dòng chảy thu hồi từ 2540% R khoảng 0,2-1,0 Khi R ≤ 1,2, đoạn đường Công nghệ tế bào 48 cong biểu diễn dấu chấm, khó giảm tỷ lệ thu hồi xuống 0,2 β = 0,8 τp = V F β=1 0,0 β = 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 R Hình 4.10 Ảnh hưởng tốc độ thu hồi (R) tỷ lệ xả ( β = B / F ) lên thời gian lưu (τp = V/F giờ) hệ thống PFF có thu hồi Đường cong vẽ mơ hình Monod với µmax = 0,935/giờ; KS = 0,71 g/L; YX/S = 0,6; C S i = 10 g/L; C S f = 1,3 g/L; C X i = Việc phân tích phần phần sau ứng dụng bể lắng tế bào phận phân tách tế bào Dòng chảy bể lắng tế bào F = B+L nồng độ ( B / F ) × C X f = βC X f Thu hồi tế bào CSTF Hiệu suất tế bào CSTF tăng lên với việc tăng tốc độ pha loãng đạt đến giá trị cực đại Nếu tốc độ pha loãng tăng lên điểm cực đại, hiệu suất hệ lên men giảm đột ngột tế bào bắt đầu bị pha loãng tốc độ sinh sản tế bào hao hụt tế bào dòng chảy Một phương thức cải thiện hiệu suất hệ lên men thu hồi tế bào cách tách rời tế bào khỏi dòng chảy sản phẩm hệ lọc dòng chảy ngang (cross-flow filter unit) (Hình 4.11) Nồng độ cao tế bào (được trì cách thu hồi tế bào) làm tăng hiệu suất tế bào tốc độ sinh trưởng tỷ lệ tương ứng với nồng độ tế Cơng nghệ tế bào 49 bào Tuy nhiên, phải có giới hạn việc tăng hiệu suất tế bào với việc tăng nồng độ tế bào mơi trường có nồng độ tế bào cao, tốc độ chuyển khối chất dinh dưỡng bị giảm việc dồn vào nơi đông gây kết khối tế bào Việc trì nồng độ cao tế bào khơng có lợi phận lọc thường xuyên bị hỏng trường hợp nồng độ tế bào cao F CXi Csi L CXL = Csf B CX f Csf V Hình 4.11 Sơ đồ thu hồi tế bào CSTF Nếu tất tế bào thu hồi trở lại hệ lên men, nồng độ tế bào tăng liên tục theo thời gian trạng thái ổn định khơng đạt Vì thế, để hoạt động CSTF có thu hồi trạng thái ổn định, cần có dịng xả (Hình 4.11) Phương trình cân nguyên liệu cho tế bào hệ lên men có phận thu hồi tế bào có dạng sau: FC X i − BC X + VµC X = V dC X dt (4.31) Cần lưu ý rằng, tốc độ dòng chảy thực tế vào khỏi phận lọc không định hoàn toàn đến cân tất nguyên liệu Đối với CSTF trạng thái ổn định có thu hồi tế bào chất dinh dưỡng vô trùng, thì: βD = Cơng nghệ tế bào β =µ τm (4.32) 50 Lúc βD thay cho D tốc độ sinh trưởng đặc trưng Khi D = tế bào khơng thu hồi, β = µ Nếu tốc độ sinh trưởng biểu diễn động học Monod, thay phương trình (3.11) chương vào phương trình (4.32) ta có: CS = βK S τ m µ max − β (4.33) CS có nghĩa τ m µ max > β Nồng độ tế bào hệ lên men tính tốn từ giá trị CS sau: CX = YX / S β (C Si − C S ) (4.34) Hình 4.12 cho thấy ảnh hưởng tỷ lệ xả lên hiệu suất tế bào mơ hình Monod Khi β bị giảm xuống từ (khơng thu hồi) tới 0,5 hiệu suất tế bào tăng lên gấp đôi 10 β = 0,05 Khơng thu hồi Hình 4.12 Ảnh hưởng tỷ lệ xả lên hiệu suất tế bào (βDCX) DC X 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 D III Các hệ lên men khác Nhiều hệ lên men khác đề xuất thử nghiệm Các hệ lên men thiết kế để cải thiện nhược điểm hệ lên men thùng khuấy (tiêu thụ công suất lớn) yêu cầu đặc biệt trình lên men định như: sục khí tốt hơn, chuyển nhiệt hiệu quả, tách giữ lại tế bào, bất động tế bào, giảm bớt thiết bị giá thành sản phẩm, thường không thiết kế cho quy mô lớn Công nghệ tế bào 51 Các hệ lên men thường phân loại dựa sở kiểu bình ni chúng thùng, cột, hệ lên men vòng (loop) Cả hai hệ lên men thùng cột xây dựng sở bình ni hình trụ Có thể phân loại dựa theo tỷ lệ chiều cao (H) đường kính (D) sau: H/D < cho hệ lên men thùng H/D > cho hệ lên men cột Hệ lên men vòng hệ lên men thùng cột có vịng lưu thơng chất lỏng, (có thể ống thơng gió (draft) vịng gắn bên ngồi hệ lên men) Có thể phân loại hệ lên men theo cách khác dựa sở thành phần hệ lên men phối hợp nào: khí nén, phận chuyển động học bên trong, bơm chất lỏng bên Các hệ lên men tiêu biểu loại trình bày bảng 4.1, ưu điểm nhược điểm ba loại hệ lên men trình bày bảng 4.2 Bảng 4.1 Phân loại hệ lên men Nguồn trộn sơ cấp Loại bình ni Khí nén Thùng Cột - Các phận chuyển động bên Thùng khuấy Bơm bên - Nhiều giai đoạn Khay sàng (rây) Cột hình nón Vịng Cột bong bóng (hoặc đợt) Đệm nhồi Áp lực khơng khí Vòng chân vịt đẩy lên theo chu kỳ Vòng tia Hệ lên men cột (column fermenter) Hệ lên men đơn giản hệ lên men cột bong bóng (còn gọi hệ lên men tháp-tower fermenter), thường bao gồm bình trụ dài, có phận phun khí đáy (Hình 4.13 a-c) Các thành phần hệ lên men trộn cách tăng số lượng bong bóng lên, yếu tố cung cấp oxygen cần thiết cho tế bào Khi tế bào lắng xuống, nồng độ Công nghệ tế bào 52 cao tế bào trì phần thấp cột mà khơng có thiết bị để tách rời chúng Tuy nhiên, hệ lên men cột bong bóng thường bị hạn chế trường hợp lên men hiếu khí việc tăng bong bóng khơng thể cung cấp pha trộn đầy đủ cho sinh trưởng tối ưu Chỉ có phần thấp cột trì nồng độ tế bào cao dẫn đến lên men ban đầu nhanh lên men chậm chất mong muốn bị giảm Khi nồng độ tế bào tăng lên hệ lên men, cần có lưu tốc khơng khí cao để trì dịch huyền phù tế bào pha trộn Tuy nhiên, lưu tốc khơng khí tăng lên gây tạo bọt nhiều việc trì bong bóng khí cột dẫn đến làm giảm hiệu suất hệ lên men Khi bong bóng tăng lên nhiều cột chúng kết thành khối nhanh chóng làm giảm tốc độ chuyển oxygen Vì thế, hệ lên men cột khơng thay đổi hạn chế phạm vi hẹp điều kiện hoạt động Bảng 4.2 Ưu điểm nhược điểm cấu hình ba hệ lên men Loại Thùng khuấy Ưu điểm Linh hoạt dễ thích ứng Nhược điểm Tiêu thụ cơng suất lớn Gây tổn hại cho tế Có thể sử dụng mơi trường có độ bào mẫn cảm với lực trượt Giá thành thiết bị cao nhớt cao Phạm vi mật độ pha trộn rộng Lực đẩy khơng khí Khơng có phận chuyển động Pha trộn Đơn giản Tạo bọt dư thừa Giá thành thiết bị thấp Nồng độ tế bào cao Cột bong bóng Giới hạn hệ thống có độ nhớt thấp Khơng có phận chuyển động Pha trộn Đơn giản Tạo bọt dư thừa Hiệu suất hút khí cao Giới hạn hệ thống có độ nhớt thấp Chuyển nhiệt tốt Để khắc phục nhược điểm hệ lên men cột, vài kiểu thiết kế khác đề xuất Hệ lên men cột hình chóp ngược (Hình 4.13 b) Cơng nghệ tế bào 53 trì lưu tốc khơng khí cao đơn vị diện tích phần thấp hệ lên men mà có nồng độ tế bào cao Một vài khay sàng lọc cài đặt cột (Hình 4.13 c) để tăng hiệu tiếp xúc khí-chất lỏng phá vỡ kết khối bong bóng khí Để tăng cường pha trộn mà khơng có phần chuyển động bên trong, dịch lên men (môi trường) bơm ngồi quay vịng (tuần hoàn) cách dùng bơm chất lỏng bên ngồi (Hình 4.13 d e) Khơng 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 bên ngoài, (e) cột nhồi (packed-bed) với bơm bên Hệ lên men vòng (loop fermenter) Hệ lên men vòng hệ lên men thùng (tank fermenter) cột (column fermenter) có vịng lưu thơng chất lỏng, ống thơng gió vịng bên ngồi Tùy thuộc vào lưu thơng chất lỏng tạo nào, mà hệ lên men phân loại thành ba kiểu: lực đẩy khơng khí (air-lift), vòng khuấy (stirred loop) vòi phun (jet loop) (Hình 4.14) Sự lưu thơng chất lỏng hệ lên men dùng lực đẩy nhờ vào việc phun khơng khí để tạo khác mật độ phần giàu bong bóng chất lỏng đứng (riser) phần rút hết bong bóng nặng chất lỏng đáy thùng (downcomer) (Hình 4.14 a) Sự pha trộn lưu thông chất lỏng thùng lên men tăng cường cách gắn thêm phận bơm bên ngồi (Hình 4.14 b) Tuy nhiên, việc bổ sung Công nghệ tế bào 54 bơm làm giảm ưu điểm hệ lên men nhờ lực đẩy khơng khí hiệu suất lượng thấp đơn giản Hệ lên men áp lực chu kỳ ICI (Imperial Chemical Industries Ltd., England) hệ lên men dùng lực đẩy khơng khí với vịng bên ngồi (outer loop) phát triển cho lên men hiếu khí địi hỏi có chuyển nhiệt Mơi trường khơng khí đưa vào phần cao thấp (Hình 4.14 c) Khơng khí phục vụ cho hai mục đích: cung cấp oxygen cần thiết cho sinh trưởng tế bào tạo lưu thông tự nhiên chất lỏng hệ lên men thơng qua vịng Bộ phận trao đổi nhiệt để làm lạnh môi trường lỏng cài đặt vào vịng Hệ lên men chứng minh tạo tốc độ hấp thụ oxygen cao đơn vị thể tích Khơng khí (a) (b) (c) Hình 4.14 Các hệ lên men vịng: (a) lực đẩy khơng khí, (b) lực đẩy khơng khí có bơm bên ngồi, (c) áp lực chu kỳ ICI IV Các ký hiệu B β tốc độ chảy dòng xả, m3/s tỷ lệ xả, định nghĩa B/F CP nồng độ sản phẩm CPi nồng độ sản phẩm đưa vào CS nồng độ chất ' S C nồng độ chất điểm phối trộn dòng chảy vào dòng chảy thu hồi Công nghệ tế bào 55 C S0 nồng độ chất thời điểm t0 CS f nồng độ chất sau khỏi hệ lên men C Si nồng độ chất đưa vào CS ,opt nồng độ chất tối ưu CX C ' X nồng độ tế bào nồng độ tế bào điểm phối trộn dòng chảy vào dòng chảy thu hồi C X0 nồng độ tế bào thời điểm t0 CX f nồng độ tế bào sau khỏi hệ lên men C Xi nồng độ tế bào đưa vào CX L nồng độ tế bào thu hồi qua lọc CX R nồng độ tế bào dòng chảy thu hồi C X , opt nồng độ tế bào tối ưu D F tốc độ pha loãng, s-1 tốc độ dòng chảy, m3/s τm thời gian lưu, s τ m,opt thời gian lưu tối ưu, s τp thời gian lưu dựa tốc độ dịng chảy tồn hệ thống τb thời gian lưu cần thiết để nuôi cấy mẻ PFF trạng thái ổn định KS L µ đạt tới nồng độ tế bào định hệ số hệ thống tốc độ dòng chảy qua lọc, m3/s tốc độ sinh trưởng đặc trưng, s-1 kg/m3/s µ max R rX V YP/S tốc độ sinh trưởng cực đại tốc độ thu hồi tốc độ sinh trưởng tế bào thể tích làm việc hệ lên men, m3 hiệu suất sản phẩm/cơ chất Công nghệ tế bào 56 ... cao tế bào (được trì cách thu hồi tế bào) làm tăng hiệu suất tế bào tốc độ sinh trưởng tỷ lệ tương ứng với nồng độ tế Cơng nghệ tế bào 49 bào Tuy nhiên, phải có giới hạn việc tăng hiệu suất tế bào. .. độ tế bào nồng độ tế bào điểm phối trộn dòng chảy vào dòng chảy thu hồi C X0 nồng độ tế bào thời điểm t0 CX f nồng độ tế bào sau khỏi hệ lên men C Xi nồng độ tế bào đưa vào CX L nồng độ tế bào. .. thất tế bào thơng qua dịng chảy vượt sinh trưởng tế bào hệ lên men F CXi Csi V, CX , CS CX F C s Hình 4.4 Sơ đồ hệ lên men thùng khuấy liên tục (CSTF) Công nghệ tế bào 38 Cân nguyên liệu cho tế bào