8/8/2022
1
1
Thời lượng: 2 tiết
GV: Nguyễn Khắc Tiệp
CÔNG NGHỆ LÊN MEN
SẢN XUẤT KHÁNG SINH
VÀ CÁC CHẾ PHẨM SINH HỌC
DÙNG TRONG NGÀNH DƯỢC
2
MỤC TIÊU DẠY - HỌC
Sau khi học xong SV cần
1. Nêu khái niệm các phương pháp lên men.
Phân tích được ưu nhược điểm của các
p/pháp lên men và thiết bị lên men nuôi cấy
VSV
2. Trình bày được quy trình chung trong nuôi cấy
VSV. Phân tích mối liên quan giữa loại sản
phẩm của VSV với điều kiện nuôi cấy VSV
3. Nêu nguyên tắc chung trong xử lý dịch lên
men nuôi cấy VSV.
3
1.1 KHÁI NIỆM VỀ LÊN MEN
- Lên men là sự chuyển hóa, tích lũy SP trao đổi
chất có ích trong quá trình nuôi cấy Vi sinh vật
- Lên men là quá trình phát triển của VSV trong điều
kiện hóa lý phù hợp, để chuyển đổi môi trường
dinh dưỡng thành sản phẩm mong muốn
-Công nghệ lên men là việc sử dụng VSV để sản
xuất thực phẩm, dược phẩm, đồ uống có cồn và
các sản phẩm khác trên quy mô công nghiệp
Một số sản phẩm lên men dùng trong ngành dược
4
Nhóm Sản phẩm Vi sinh vật
Dung
môi
Ethanol
Acid lactic
Saccharomyces cerevisiae
Lactobacillus bulgaricus
Enzym α-amylase
Protease
Lipases
Bacillus subtilis
Bacillus species
Saccharomyces lipolytica
Kháng
sinh
Penicillin
Streptomycin
Chloramphenicol
Penicillium chrysogenum
Streptomyces griseus
Streptomyces venezuelae
Vitamin Riboflavin
Vitamin B12
Ashbya gossypi
Propionibacterium shermanii
Sp tái tổ
hợp
Heparin, enoxaparin
Insulin
CHO (Chinese Hamster Ovale)
Escherichia coli tái tổ hợp
5
LÊN MEN LÀ QUÁ TRÌNH LIÊN QUAN
ĐẾN VI SINH VẬT
- VSV sinh sản nhanh, dễ thích nghi, biến đổi
-VSV có khả năng sinh trưởng trên nhiều cơ
chất (môi trường dinh dưỡng) khác nhau và
có thể sản xuất nhiều sản phẩm khác nhau
- Việc SX các SP sinh học từ VSV hoàn toàn
khác SX các SP từ động thực vật, hóa học
- Các sản phẩm sinh học thường có cấu trúc
phức tạp hơn so với các chất hóa học
6
1.2. VI SINH VẬT – ĐỐI TƯỢNG CỦA CÔNG
NGHỆ LÊN MEN
Ưu điểm
Tốc độ đồng hóa cao, sinh sản nhanh
Dễ thích nghi
SX ít phụ thuộc môi trường, thời tiết
Tốn ít diện tích
Tận dụng được phế phẩm, phụ phẩm làm
nguyên liệu nuôi cấy
1 2
3 4
5 6
8/8/2022
2
7
1.2. VI SINH VẬT – ĐỐI TƯỢNG CỦA CÔNG
NGHỆ LÊN MEN
Ưu điểm so với tổng hợp hóa học
Tạo sản phẩm ở nhiệt độ và áp suất thường
Dễ tăng sản lượng, biến đổi SP cuối nhờ sử
dụng kỹ thuật sinh học phân tử
Có khả năng tạo các chất đối quang hay đối hình
có hoạt tính (khó hoặc không thể thực hiện trong
hóa học) – VD L glutamic acid, L lactic acid…
Có khả năng tạo SP có cấu trúc rất phức tạp mà
tổng hợp hóa học rất khó hoặc không thể tiến hành
8
1.2. VI SINH VẬT – ĐỐI TƯỢNG CỦA CÔNG
NGHỆ LÊN MEN
Nhược điểm
Dễ biến dị, hồi biến tính hoang dại
Có thể có độc tính
Quá trình SX phức tạp, yêu cầu độ vô trùng
cao
Cần chi phí cao cho quá trình giữ giống và
bảo quản giống
9
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
10
1. Dựa vào sản phẩm chính:
• Lên men ethylic
• Lên men lactic
• Lên men acetic…
2. Dựa vào nhu cầu hô hấp của VSV:
• Kỵ khí
• Hiếu khí
• Vi hiếu khí
3. Dựa vào bản chất môi trường nuôi cấy
• Lỏng
• Bán rắn/ bề mặt lỏng
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
11
4. Dựa vào kỹ thuật nuôi cấy: cách nạp
nguyên liệu + thu sản phẩm
• Mẻ hay Gián đoạn
• Liên tục
• Bán liên tục
5. Dựa vào phân bố VSV trong môi trường
hay hình thức thiết bị nuôi cấy :
• Bề mặt: bán rắn, bề mặt lỏng (nổi)
• Chìm
PHÂN LOẠI CÁC P/PHÁP LÊN MEN
THEO ĐK HÔ HẤP
KỴ KHÍ
Lactic acid,
ethanol, rượu
vang…
HIẾU KHÍ
Kháng sinh,
enzym, vitamin
12
VI HIẾU KHÍ
7 8
9 10
11 12
8/8/2022
3
13
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
THEO ĐK HÔ HẤP
Lên men kỵ khí
- VSV kỵ khí, không cấp oxy
- Môi trường lỏng, bán rắn
- VD: lên men rượu, SX vitamin B12
Lên men hiếu khí
- VSV hiếu khí, cấp khí (sạch)
- Môi trường lỏng, bán rắn
- VD: làm dấm, mốc tương, SX Penicillin
Lên men vi hiếu khí
- VSV vi hiếu khí, cấp khí nhẹ
- Môi trường lỏng
- VD: SX vitamin B12
2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN THEO
HÌNH THỨC THIẾT BỊ
THEO HÌNH THỨC THIẾT BỊ
BỀ MẶT
DỊCH THỂ BÁN RẮN
CHÌM
14
15
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN THEO
HÌNH THỨC THIẾT BỊ: BỀ MẶT DỊCH THỂ
Bề mặt dịch thể:
- VSV hiếu khí
- Môi trường lỏng
- cấp khí vô trùng, làm mát
Ưu: - đơn giản, dễ tiến hành
Nhược:
- khó giữ vô trùng
- khó cơ giới hóa tự động hóa
- tốn diện tích
- tốn nhân công
16
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN THEO
HÌNH THỨC THIẾT BỊ: BỀ MẶT BÁN RẮN
Bề mặt bán rắn:
Các loại hạt, mảnh, phế liệu hữu cơ, bã mía...
đã được hồ hoá, bổ sung dinh dưỡng cần thiết
- Thổi khí vô trùng, độ ẩm 60-75%, nhiệt độ
phù hợp
Ưu: - đơn giản, có thể lên men đồng thời
nhiều VSV
- dễ xử lí cục bộ
Nhược: - khó vô trùng
- khó cơ giới hóa, tự động hóa
- tốn diện tích, nhân công
17
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
THEO HÌNH THỨC THIẾT BỊ
LÊN MEN CHÌM:
Ưu: - Tiến hành cả VSV hiếu khí và kỵ khí
- Kiểm soát được độ vô trùng
- Tốn ít diện tích
- Dễ cơ giới hóa và tự động hóa
- Dễ kiểm soát toàn bộ
- Chi phí nhân lực thấp
Nhược:
- Kinh phí lớn cho trang thiết bị
- Cần cán bộ chuyên môn hoá
- Không thể xử lý cục bộ
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
THEO CÁCH TIẾN HÀNH
MẺ LIÊN TỤC BÁN LIÊN TỤC
18
13 14
15 16
17 18
8/8/2022
4
19
2.3
. PHÂN LOẠI
THEO CÁCH TIẾN HÀNH
(Theo kỹ thuật nuôi cấy)
Lên men mẻ - gián đoạn: (batch culture)
Tiến hành theo lô, mẻ
Sản phẩm thu ở cuối quá trình
Ứng dụng ở quy mô CN cho hầu hết các SP, đặc
biệt là SP bậc 2 (thứ cấp)
Lên men liên tục: (continuous culture)
Liên tục cung cấp chất dinh dưỡng và thu SP
Ít ứng dụng ở quy mô CN
Lên men bán liên tục: (semi-continuous culture)
Định kỳ bổ sung chất dinh dưỡng và thu SP
(không chứa tế bào) hoặc thu SP cuối quá trình
Có thể ứng dụng cho nhóm SP cuối cùng và bậc 1
(sơ cấp)
20
2.3.1. PP LÊN MEN Mẻ- gián đoạn
Đặc điểm
Thể tích MT nuôi cấy không thay đổi suốt quá
trình
Thu SP ở cuối quá trình
Khi đảm bảo các điều kiện thích hợp, VSV phát
triển theo đúng sinh lý - 5 giai đoạn: tiềm phát,
nhân lên chậm, logarit, cân bằng, suy vong
Hầu hết các thông số của quá trình đều thay
đổi theo thời gian
Thường được sử dụng sản xuất các SP chuyển
hóa thứ cấp bậc 2
21
2.3.1. PP LÊN MEN Mẻ- gián đoạn
Ưu
Chi phí ban đầu thấp.
Có thể lập mô hình toán học chính xác để nâng
cấp quy mô SX
Có thể SX với quy mô lớn (nồi lên men >1000lit)
Nhược điểm:
Hiệu suất có thể thấp hơn các pp khác
Không lý tưởng trong SX các SP bậc 1.
SP không đồng nhất trong các mẻ khác nhau.
Khử trùng nhiều lần các bộ phận như cảm
biến oxy, đo pH, nhiệt kế… nhanh lão hóa.
3. THIẾT BỊ LÊN MEN
22
3.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ LÊN MEN
23
Lên men bề mặt
Dạng khay
Dạng thùng quay
Dạng đĩa quay….
Lên men chìm
TB lên men mẻ
TB lên men liên tục…
24
3.2. THIẾT BỊ LÊN MEN BỀ MẶT
Dịch
thể
19 20
21 22
23 24
8/8/2022
5
25
3.2. THIẾT BỊ LÊN MEN BỀ MẶT
Bán
rắn
26
3.2. THIẾT BỊ LÊN MEN BỀ MẶT
KHAY
27
3.3. THIẾT BỊ LÊN MEN CHÌM – FERMENTOR
CẤU TẠO
- Thuỷ tinh hoặc thép inox
- V = 2 lít đến > 500m
3
tuỳ quy mô sử dụng:
Thí nghiệm: 5 - 10 lit
Pilot: 50 -500 lit
Công nghiệp: đến hàng triệu lít
3.3. THIẾT BỊ LÊN MEN CHÌM – FERMENTOR
DUNG TÍCH
Fermenter (L) SẢN PHẨM
1- 20.000 Các enzym chẩn đoán, các hoạt
chất hay phân tử sinh học
40 – 80.000 Một vài kháng sinh, enzym…
50.000 - 150.000 Kháng sinh (Pe, AMG..) steroid,
amylase, amino acid, rượu bia
300.000 - 500.000 Amino acid (glutamic acid),
rượu vang, bia,
28
Thiết bị lên men cần đạt các mục tiêu sau:
phân tán, hòa trộn đồng đều các thành
phần trong thiết bị,
luôn đảm bảo VSV được hấp thu dinh
dưỡng và hô hấp tốt nhất,
đảm bảo độ vô trùng, không bị lây nhiễm từ
môi trường ngoài,
dễ làm vệ sinh, dễ chăm sóc bảo dưỡng,
có các cảm biến đo lường chính xác
thao tác, vận hành thuận tiện, an toàn
đầu tư và chi phí vận hành thấp.
29
3.3. THIẾT BỊ LÊN MEN CHÌM – FERMENTOR
30
Yêu cầu về cấu tạo
- Thép không rỉ / thủy tinh chịu nhiệt
- Chịu được nhiệt và áp suất khi khử trùng
- Có bộ phận cung cấp oxy.
- Có cánh khuấy trộn
- Có thiết bị trao đổi nhiệt, điều nhiệt
- Bộ phận đo pH, oxy hòa tan…
- Bộ phận dò bọt và phá bọt.
3.3. THIẾT BỊ LÊN MEN CHÌM – FERMENTOR
25 26
27 28
29 30