Nhìn chung, nuôi cấy tế bào thực vật lên qui mô lớn là thực hiện quá trình sinh học ở qui mô phòng thí nghiệm lặp lại gần như có thể để sản xuất một lượng lớn hơn các sản phẩm mong muốn. Trình tự của một quá trình nâng cấp điển hình bắt đầu từ nuôi cấy tế bào trong các chai, lọđến bình tam giác nuôi cấy
17
lắc có dung tích 1 L, sau đó đến hệ lên men bằng thuỷ tinh từ 1-10 L, và sau đó nâng cấp đến hệ lên men bằng thép không rỉ từ 30-150 L rồi đến 1000 L [181]. Hệ lên men là một hệ thống nuôi cấy tự động mà chức năng chính của nó là cải thiện khả năng kiểm soát môi trường nuôi để đạt được các điều kiện tối ưu cho sinh trưởng của tế bào và/hoặc hình thành sản phẩm. Tế bào thực vật được nuôi cấy trong hệ lên men đầu tiên vào những năm 1960, sử dụng những thiết bịđược làm phù hợp cho nuôi cấy tế bào thực vật từ những thiết bị lên men thương mại hoặc không thương mại dùng trong nuôi cấy tế bào động vật [123], [144].
Các nghiên cứu trong hệ lên men là khâu cuối cùng của nuôi cấy huyền phù tế bào thực vật để thương mại hóa các chất trao đổi thứ cấp. Đây là bước quan trọng vì có nhiều vấn đề có thể phát sinh khi nâng cấp từ nuôi cấy lắc trong các bình tam giác đến nuôi cấy ở các hệ lên men [181]. Hệ lên men hoạt động như một nhà máy sinh học sản xuất các sản phẩm có lượng cao với nhiều ưu điểm như sau: Các sản phẩm được kiểm soát không phụ thuộc vào nguồn thực vật sẵn có; Tăng các dung tích làm việc; Nuôi cấy đồng nhất do có cơ chế khuấy trộn bằng cơ học hoặc sục khí; Kiểm soát tốt hơn môi trường nuôi cấy và điều kiện vật lý vì vậy có thể dễ dàng tối ưu hóa các thông số sinh trưởng như: dinh dưỡng, pH, nhiệt độ… trong sản xuất các chất chuyển hóa; Có thể kiểm soát các sản phẩm cuối cùng dưới các điều kiện sinh trưởng; Cải thiện khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng để kích thích tốc độ nhân nhanh và sản xuất hàm lượng cao hơn các hoạt chất sinh học; Thu hồi các tế bào đơn giản và nhanh hơn; Thuận lợi trong các khảo nghiệm về sinh tổng hợp hoặc/và chuyển hóa sinh học có liên quan với sản xuất các chất trao đổi bởi các enzyme sẵn có; Dễ dàng hơn trong phân tách các hợp chất mong muốn bởi tính phức tạp thấp của các dịch chiết; Kiểm soát tốt hơn trong nâng cấp sản xuất trên qui mô lớn [44], [52].
Các hệ lên men được dùng chủ yếu cho nuôi cấy trên qui mô lớn tế bào thực vật để sản xuất sinh khối tế bào hoặc các chất chuyển hóa [181]. Hiệu suất của bất kỳ hệ lên men nào đều tùy thuộc một số khả năng sau: Duy trì nồng độ
18
sinh khối phải cao; Duy trì điều kiện vô trùng; Phân bố đồng đều dinh dưỡng và các nguyên liệu sống trong nồi lên men thông qua sự khuấy trộn hiệu quả; Tăng hoặc giảm nhiệt tùy vào yêu cầu nuôi cấy; Tạo ra lực trượt vừa phải. Mức độ trượt cao có thể nguy hại cho tế bào nuôi cấy, nhưng lực trượt thấp cũng có thể không mong muốn bởi vì hình thành bọt hoặc bám dính của các khối tế bào lên cánh khuấy và thành của nồi lên men [86].
Có nhiều kiểu của hệ lên men đã được dùng trong nuôi cấy tế bào thực vật. Các hệ lên men có tính truyền thống như các hệ lên men khuấy trộn bằng cánh khuấy, airlift reactors và sủi bọt khí dạng cột sử dụng trong nuôi cấy in vitro tế bào thực vật đã được phiên bản từ các hệ lên men dùng trong công nghệ sinh học vi sinh vật [48]. Những nổ lực thiết kế hệ lên men dành riêng cho nuôi cấy tế bào thực vật được thực hiện vào cuối những năm 1970. Với sự nhận thức sâu về tính mẫn cảm của các tế bào thực vật trong nuôi cấy in vitro với lực trượt, vì vậy trong hơn một thập niên, chỉ có dạng hệ lên men airlift được xem là thích hợp cho nuôi cấy tế bào thực vật [165]. Tuy nhiên, đã có nhiều nghiên cứu tiến hành nuôi cấy tế bào thực vật trong hệ lên men khuấy trộn bằng cánh khuấy. Ritterhaus và cs (1990) đã sử dụng các hệ lên men khuấy trộn bằng cánh khuấy với dung tích 75, 750, 7.500, 15.000 và 75.000 L để nuôi cấy tế bào cây
Echinacea purpurea, Rauwolfia serpentina và một số thực vật khác trên qui mô lớn [133]. Wang và Zhong (1996) đã phát triển một loại hệ lên men mới dùng nuôi cấy in vitro thực vật mẫn cảm với lực trượt đó là hệ lên men khuấy trộn bằng cánh khuấy ly tâm (CIB) [172]. Zhang và Zhong (2002) cũng đã dùng hệ lên men CIB (3 L) để nuôi cấy huyền phù tế bào cây tam thất, với tốc độ khuấy 145 vòng/phút, sinh khối tế bào tích lũy đạt 22 g/L [186]. Hơn nữa, các tác giả này cũng đã nuôi cấy thành công tế bào cây P. notoginseng khi nâng cấp dung tích hệ lên men này lên đến 30 L, sự tích luỹ sinh khối đạt trên 25 g/L, sản lượng saponin và polysaccharide cũng cao hơn (1,7 so với 1,5 g/L và 2,9 so với 2,7 g/L). Từ các nghiên cứu này, Zhang và Zhong (2002) cho rằng, hệ lên men CIB
19
có tiềm năng lớn trong sản xuất sinh khối tế bào để chiết tách các chất mong muốn trên qui mô lớn [186]. Năm 2007, Prakash và Srivastava cũng đã nuôi cấy thành công tế bào cây Azadirachta indica để sản xuất sinh khối và azadirachtin trong hệ lên men CIB và nhận thấy, hệ men lên men này tạo ra lực trượt thấp và khả năng trao đổi oxy cũng được cải thiện [125].