Ngày nay, Bacillus được sử dụng phổ biến trong công nghiệp để sản xuất các hợp chất có giá trị như enzyme phytase, lipase, cellulase, kháng sinh bacitracin, ribofravin (vitamin B2), và niacin (vitamin B3) [1]. Ngoài ra, Bacillus còn được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp như sản xuất phân bón sinh học, thuốc trừ sâu sinh học và chất kích thích sinh trưởng thực vật [2]. Do đó để cung cấp một lượng lớn sinh khối Bacillus cũng như sản phẩm biến dưỡng của nó phục vụ cho nhu cầu cấp thiết hiện nay, công nghệ lên men Bacillus công nghiệp ngày càng phát triển.

Những vấn đề cần quan tâm trong lên men Bacillus công nghiệp

Các loài Bacillus phổ biến được sử dụng trong lên men công nghiệp bao gồm B. amyloliquefaciens, B. lichenifomis, B.subtilis và B. clausii được chọn lọc dựa vào các đặc điểm mong muốn như tính bền vững, ổn định di truyền cao, khả năng tiết enzyme và các sản phẩm khác vào môi trường nuôi cấy.

Quá trình lên men bắt đầu bằng việc nuôi cấy một lượng nhỏ giống Bacillus chất lượng cao đã chọn lọc trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát. Tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy để đảm bảo khả năng tăng sinh và mật độ tế bào cao của giống, sau đó lượng giống này sẽ được sử dụng để cấy vào các bình lên men lớn hơn.

Quá trình lên men ở qui mô lớn diễn ra trong các Bioreactor chuyên dụng được giám sát và kiểm soát các thông số của môi trường nuôi cấy như nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, tốc độ khuấy, và bọt khí hình thành. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả trộn, vận chuyển oxy và trao đổi nhiệt trong môi trường nuôi cấy để duy trì điều kiện tối ưu cho sự phát triển và hình thành các sản phẩm của Bacillus.

Các dạng lên men công nghiệp

Dựa theo quy trình lên men có thể chia làm 3 dạng lên men công nghiệp:

Lên men theo mẻ [batch fermentation]

Đây là phương pháp nuôi cấy khép kín, giới hạn dinh dưỡng, dinh dưỡng không được bổ sung trong suốt quá trình lên men.

Quá trình lên men Bacillus sẽ trải qua 4 pha khác nhau. Trong giai đoạn đầu hay còn gọi là pha lag của quá trình nuôi cấy, hầu như không có sự tăng trưởng đáng kể nào xảy ra, chủ yếu là giai đoạn thích nghi của tế bào trong môi trường mới.

Tiếp theo, vi sinh vật (VSV) dần dần thích nghi, tăng trưởng nhanh và đạt đến tốc độ tối đa – pha log. Khi điều kiện nuôi cấy bị hạn chế ví dụ như cạn kiệt một số chất dinh dưỡng thiết yếu hoặc sự hình thành một số chất ức chế dẫn đến sự suy giảm tăng trưởng của VSV, chúng bước vào giai đoạn pha ổn định, giai đoạn chính của việc sản xuất các chất biến dưỡng bao gồm các amino acids, nucleotides, lipids, carbohydrates….

Sau cùng, dinh dưỡng cạn kiệt và sự tích luỹ một số chất ức chế VSV, làm ảnh hưởng đến môi trường sống của chúng, mật độ tế bào sống giảm xuống và bước vào pha suy vong [4].

Lên men theo mẻ có bổ sung [fed-batch fermentation]

Khác với các giai đoạn trong nuôi cấy theo mẻ, theo phương pháp này, pha log được duy trì bằng cách bổ sung dinh dưỡng vào bồn lên men và quá trình này được lặp đi lặp lại nhằm gia tăng mật độ VSV hoặc tăng hiệu quả sản xuất các chất biến dưỡng mong muốn. Phương pháp này cũng hạn chế sự hình thành các sản phẩm phụ (by-products) của quá trình lên men do thiếu hụt chất dinh dưỡng [5].

Lên men liên tục [continuous fermentation]

Đây là phương pháp nuôi cấy mà nguyên liệu được bổ sung vào nồi lên men liên tục hoặc gián đoạn, dịch lên men được chiết ra trong quá trình nuôi cấy. Phương pháp này có hiệu quả cao tuy nhiên qui trình vận hành yêu cầu phức tạp hơn để tránh tạp nhiễm trong quá trình nuôi cấy [6].

Các lưu ý quan trọng khi lên men

Thành phần của môi trường nuôi cấy là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình lên men. Môi trường nuôi cấy được thiết kế tùy theo yêu cầu của chủng VSV, phương pháp lên men và sản phẩm mong muốn. Các môi trường lên men cơ bản đều chứa nguồn carbon, nguồn nitrogen, nguồn khoáng vi lượng, vitamin và oxygen (đối với trường hợp hiếu khí).

Trước khi thiết kế môi trường lên men cần khảo sát chi tiết về nhu cầu dinh dưỡng của chủng VSV cũng như nguồn cơ chất trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất tạo sản phẩm. Đồng thời cần phải tối ưu hóa điều kiện lên men bao gồm nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, tốc độ khuấy phù hợp với thiết bị lên men thực tế.

Tùy thuộc vào sản phẩm mục tiêu, dịch nuôi cấy thu được sau quá trình lên men có thể được ly tâm, lọc, tinh sạch để thu nhận sinh khối tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng ở dạng thô, cô đặc hoặc tinh khiết. Các thử nghiệm kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt được thực hiện ở các giai đoạn khác nhau trong suốt quá trình lên men để đảm bảo sản phẩm đáp ứng các thông số kỹ thuật đã xác định. Các kỹ thuật phân tích như quang phổ, sắc ký và xét nghiệm vi sinh được sử dụng để kiểm soát nhiễm, theo dõi tăng sinh và đánh giá sản phẩm mục tiêu.

Sau khi quá trình lên men hoàn tất, ngắt kết nối hệ thống khuấy trộn, sục khí và kiểm soát nhiệt độ. Đảm bảo rằng áp suất trong bioreactor được giảm đến mức an toàn trước khi mở. Làm sạch hệ thống bioreactor và các bộ phận liên quan để chuẩn bị cho mẻ tiếp theo. Kiểm tra, bảo trì bioreactor và các bộ phận liên quan định kỳ để đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường và ngăn ngừa sự cố.

Kết luận

Trong công nghiệp lên men, việc lựa chọn chủng Bacillus, thiết kế bioreactor và điều kiện lên men khác nhau tùy thuộc vào sản phẩm cụ thể và quy mô của quá trình lên men. Nhìn chung, việc sử dụng các loài Bacillus trong quá trình lên men công nghiệp là một phương pháp hiệu quả và linh hoạt không chỉ để thu nhận sinh khối vi sinh mà còn để sản xuất nhiều loại sản phẩm Sinh học có giá trị như enzyme, kháng sinh, amino acid, vitamin được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Để hiểu hơn về Bacillus, các bạn có thể đọc thêm bài viết “Tiềm năng ứng dụng của lợi khuẩn Bacillus” ở đây

Tác giả: KMVE Lab Team. Vui lòng dẫn nguồn khi bạn sử dụng thông tin trong bài viết của chúng tôi.

Nguồn hình ảnh: internet

Tài liệu tham khảo:

[1] Danilova, I., & Sharipova, M. (2020). The practical potential of bacilli and their enzymes for industrial production. Frontiers in microbiology, 11, 1782.

[2] Miljaković, D., Marinković, J., & Balešević-Tubić, S. (2020). The significance of Bacillus spp. in disease suppression and growth promotion of field and vegetable crops. Microorganisms, 8(7), 1037.

[3] : Solaris Biotech and Wildtype Announce Agreement for Large-scale Bioreactors for Cultivated Seafood Production | Business Wire

[4] Van Alst, A. J., LeVeque, R. M., Martin, N., & DiRita, V. J. (2016). Growth Curves: Generating Growth Curves Using Colony Forming Units and Optical Density Measurements.

[5] Evdokimova, S. A., Karetkin, B. A., Guseva, E. V., Gordienko, M. G., Khabibulina, N. V., Panfilov, V. I., … & Gradova, N. B. (2022). A study and modeling of bifidobacterium and Bacillus coculture continuous fermentation under distal intestine simulated conditions. Microorganisms, 10(5), 929.

[6] Kim, J. W., Park, B. J., Oh, T. H., & Lee, J. M. (2021). Model-based reinforcement learning and predictive control for two-stage optimal control of fed-batch bioreactor. Computers & Chemical Engineering, 154, 107465.

[7] Yang, Y., & Sha, M. (2019). A beginner’s guide to bioprocess modes–batch, fed-batch, and continuous fermentation. Enfield, CT: Eppendorf Inc, 408, 1-16.