Mở rộng quy mô: Hướng dẫn toàn diện về lên men thương mại

Lên men là nền tảng của nhiều ngành công nghiệp, từ thực phẩm và đồ uống đến dược phẩm và nhiên liệu sinh học. Mặc dù lên men thành công ở quy mô phòng thí nghiệm là một thành tựu quan trọng, việc chuyển đổi thành công đó sang sản xuất thương mại đòi hỏi sự lập kế hoạch, thực hiện và tối ưu hóa cẩn thận. Hướng dẫn này cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về các cân nhắc chính và các phương pháp thực hành tốt nhất để mở rộng quy mô các quy trình lên men thương mại.

Tại sao việc mở rộng quy mô lên men lại đầy thách thức?

Mở rộng quy mô một quy trình lên men không chỉ đơn giản là tăng thể tích. Một số yếu tố dễ kiểm soát ở quy mô nhỏ lại trở nên phức tạp hơn đáng kể khi quy trình phát triển. Chúng bao gồm:

• Truyền nhiệt: Duy trì nhiệt độ tối ưu là rất quan trọng cho sự phát triển của vi sinh vật và sự hình thành sản phẩm. Các nồi phản ứng sinh học lớn hơn có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích nhỏ hơn, làm cho việc loại bỏ nhiệt trở nên khó khăn hơn. Việc làm mát không đủ có thể dẫn đến quá nhiệt và chết tế bào, trong khi làm mát quá mức có thể làm chậm quá trình lên men.
• Truyền khối: Việc truyền oxy thường là yếu tố hạn chế trong các quá trình lên men hiếu khí. Khi mật độ nuôi cấy tăng, nhu cầu oxy cũng tăng lên. Đảm bảo cung cấp đủ oxy trong toàn bộ nồi phản ứng sinh học ngày càng trở nên khó khăn ở quy mô lớn hơn. Việc khuấy trộn, sục khí và thiết kế lò phản ứng đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả truyền oxy.
• Khuấy trộn: Việc khuấy trộn hiệu quả là cần thiết để duy trì sự đồng nhất, phân phối chất dinh dưỡng và loại bỏ các sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất. Việc khuấy trộn kém có thể dẫn đến sự chênh lệch về pH, nhiệt độ và nồng độ chất dinh dưỡng, điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của tế bào và sự hình thành sản phẩm. Loại và cấu hình của cánh khuấy, thiết kế vách ngăn và tốc độ khuấy phải được xem xét cẩn thận.
• Ứng suất cắt: Ứng suất cắt quá mức từ cánh khuấy có thể làm hỏng tế bào, đặc biệt là những tế bào nhạy cảm với lực cắt. Việc tối ưu hóa thiết kế cánh khuấy và tốc độ khuấy là rất quan trọng để giảm thiểu ứng suất cắt trong khi vẫn duy trì sự khuấy trộn đầy đủ. Một số tế bào (ví dụ: nấm sợi) dễ bị tổn thương do lực cắt hơn những tế bào khác.
• Tính vô trùng: Duy trì tính vô trùng là điều tối quan trọng trong các quy trình lên men. Nguy cơ nhiễm bẩn tăng lên theo kích thước và độ phức tạp của nồi phản ứng sinh học. Các quy trình khử trùng mạnh mẽ, kỹ thuật vô trùng và hệ thống kín là cần thiết để ngăn ngừa nhiễm bẩn và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
• Kiểm soát pH: Duy trì khoảng pH tối ưu là rất quan trọng đối với hoạt động của enzyme và sự sống của tế bào. Khi quá trình lên men tiến triển, việc sản xuất axit hoặc bazơ có thể gây ra những biến động pH đáng kể. Việc kiểm soát pH chính xác đòi hỏi các hệ thống giám sát và kiểm soát tinh vi.
• Giám sát và kiểm soát quy trình: Việc giám sát và kiểm soát hiệu quả các thông số quy trình quan trọng (ví dụ: nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, mức dinh dưỡng) là rất quan trọng để có hiệu suất ổn định và chất lượng sản phẩm. Các hệ thống giám sát thời gian thực và kiểm soát tự động là cần thiết cho các quá trình lên men quy mô lớn.
• Thay đổi chuyển hóa phụ thuộc vào quy mô: Các tế bào có thể hoạt động khác nhau trong các nồi lên men quy mô lớn so với các môi trường nuôi cấy quy mô nhỏ. Các yếu tố như sự sẵn có của oxy, ứng suất cắt và sự chênh lệch dinh dưỡng có thể làm thay đổi các con đường trao đổi chất và ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Những thay đổi này cần được nghiên cứu và giải quyết cẩn thận trong quá trình mở rộng quy mô.

Các giai đoạn mở rộng quy mô lên men

The process of scaling up typically involves several stages, each with its own objectives and challenges:

1. Phát triển môi trường nuôi cấy giống

Môi trường nuôi cấy giống đóng vai trò là nguồn cấy cho nồi lên men sản xuất. Điều quan trọng là phải phát triển một môi trường nuôi cấy giống khỏe mạnh, phát triển tích cực và không bị nhiễm bẩn. Quá trình này thường bao gồm nhiều giai đoạn tăng trưởng, bắt đầu từ một mẫu nuôi cấy gốc được bảo quản lạnh và tiến dần qua các bình lắc, các nồi phản ứng sinh học nhỏ, và cuối cùng là đến một nồi lên men giống. Môi trường nuôi cấy giống phải tương tự về mặt sinh lý với các tế bào mong muốn trong nồi lên men sản xuất.

Ví dụ: Một công ty dược phẩm đang phát triển một loại kháng sinh mới có thể bắt đầu với một chủng vi sinh vật sản xuất được đông lạnh. Chủng này được hồi sinh trong một bình lắc, sau đó được chuyển sang một nồi phản ứng sinh học nhỏ (ví dụ: 2L). Sinh khối từ nồi phản ứng sinh học này sau đó sẽ được cấy vào một nồi lên men giống lớn hơn (ví dụ: 50L), cung cấp nguồn cấy cho nồi lên men sản xuất.

2. Lên men quy mô thí điểm (Pilot)

Lên men quy mô thí điểm là cầu nối giữa phòng thí nghiệm và sản xuất công nghiệp. Nó cho phép bạn kiểm tra và tối ưu hóa quy trình lên men trong các điều kiện gần giống với môi trường sản xuất quy mô đầy đủ. Các nghiên cứu ở quy mô thí điểm giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn khi mở rộng quy mô và tinh chỉnh các thông số vận hành. Các thí nghiệm này thường liên quan đến các nồi phản ứng sinh học có dung tích từ 50L đến 500L.

Ví dụ: Một công ty nhiên liệu sinh học có thể sử dụng một nồi phản ứng sinh học 100L để đánh giá hiệu suất của một chủng nấm men biến đổi gen mới để sản xuất ethanol. Họ sẽ tối ưu hóa các thông số như nhiệt độ, pH và tốc độ cung cấp chất dinh dưỡng để tối đa hóa năng suất và sản lượng ethanol.

3. Lên men quy mô sản xuất

Giai đoạn cuối cùng là lên men quy mô sản xuất, nơi sản phẩm được sản xuất với số lượng lớn để bán thương mại. Các nồi phản ứng sinh học quy mô sản xuất có thể có dung tích từ vài nghìn lít đến hàng trăm nghìn lít. Việc duy trì hiệu suất ổn định và chất lượng sản phẩm ở quy mô này đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến từng chi tiết và các hệ thống kiểm soát quy trình mạnh mẽ.

Ví dụ: Một nhà máy bia có thể sử dụng một nồi lên men 10.000L để sản xuất bia ở quy mô thương mại. Họ sẽ theo dõi cẩn thận nhiệt độ, pH và mức oxy hòa tan để đảm bảo hương vị và chất lượng nhất quán.

Những yếu tố chính cần xem xét khi mở rộng quy mô lên men

1. Thiết kế nồi phản ứng sinh học

Nồi phản ứng sinh học là trái tim của quá trình lên men. Việc lựa chọn thiết kế nồi phản ứng sinh học phù hợp là rất quan trọng để mở rộng quy mô thành công. Các cân nhắc chính bao gồm:

• Loại nồi phản ứng sinh học: Các loại nồi phản ứng sinh học khác nhau phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Nồi phản ứng dạng bể khuấy là loại phổ biến nhất, nhưng các lựa chọn khác bao gồm nồi phản ứng airlift, nồi phản ứng cột sủi bọt và nồi phản ứng tầng đệm. Sự lựa chọn phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của quy trình lên men, chẳng hạn như loại vi sinh vật, nhu cầu oxy và độ nhạy cảm với ứng suất cắt.
• Hệ thống khuấy trộn: Hệ thống khuấy trộn phải cung cấp sự khuấy trộn đầy đủ để đảm bảo tính đồng nhất, phân phối chất dinh dưỡng và truyền oxy. Các loại cánh khuấy phổ biến bao gồm cánh khuấy tuabin Rushton, cánh khuấy dạng mái chèo và cánh khuấy dạng chân vịt. Số lượng và cấu hình của cánh khuấy, thiết kế vách ngăn và tốc độ khuấy phải được tối ưu hóa cho nồi phản ứng sinh học và quy trình lên men cụ thể.
• Hệ thống sục khí: Hệ thống sục khí đưa không khí hoặc oxy vào nồi phản ứng sinh học. Loại và kích thước của bộ sục khí, tốc độ dòng khí và thành phần khí phải được kiểm soát cẩn thận để tối ưu hóa việc truyền oxy mà không gây ra bọt quá mức hoặc làm hỏng tế bào.
• Hệ thống truyền nhiệt: Hệ thống truyền nhiệt phải duy trì nồi phản ứng sinh học ở nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của tế bào và sự hình thành sản phẩm. Điều này thường bao gồm một bình có vỏ bọc với chất lỏng làm mát hoặc làm nóng tuần hoàn. Công suất truyền nhiệt phải đủ để loại bỏ nhiệt sinh ra từ quá trình lên men.
• Thiết bị và Kiểm soát: Nồi phản ứng sinh học phải được trang bị các cảm biến và hệ thống kiểm soát để theo dõi và điều chỉnh các thông số quy trình quan trọng như nhiệt độ, pH, oxy hòa tan và mức dinh dưỡng. Các hệ thống kiểm soát tự động là cần thiết để duy trì hiệu suất và chất lượng sản phẩm nhất quán.

2. Tối ưu hóa quy trình

Tối ưu hóa quy trình bao gồm việc xác định và tối ưu hóa các thông số quy trình chính ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào, sự hình thành sản phẩm và chất lượng sản phẩm. Điều này thường bao gồm sự kết hợp của các nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa toán học.

• Tối ưu hóa môi trường: Môi trường lên men phải cung cấp tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của tế bào và sự hình thành sản phẩm. Tối ưu hóa thành phần môi trường có thể cải thiện đáng kể năng suất và sản lượng sản phẩm. Điều này có thể bao gồm việc thay đổi nồng độ của các nguồn carbon, nguồn nitơ, vitamin và khoáng chất. Các thiết kế thí nghiệm thống kê, chẳng hạn như phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), có thể được sử dụng để tối ưu hóa hiệu quả thành phần môi trường.
• Tối ưu hóa nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của tế bào và sự hình thành sản phẩm phụ thuộc vào vi sinh vật cụ thể. Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme, tính lưu động của màng và sự ổn định của protein. Nhiệt độ tối ưu nên được xác định bằng thực nghiệm.
• Tối ưu hóa pH: Khoảng pH tối ưu cho sự phát triển của tế bào và sự hình thành sản phẩm cũng phụ thuộc vào vi sinh vật cụ thể. pH có thể ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme, tính thấm của màng tế bào và độ hòa tan của protein. Việc kiểm soát pH chính xác là cần thiết để có hiệu suất lên men tối ưu.
• Tối ưu hóa oxy hòa tan: Duy trì mức oxy hòa tan đầy đủ là rất quan trọng đối với các quá trình lên men hiếu khí. Mức oxy hòa tan tối ưu phụ thuộc vào nhu cầu oxy của vi sinh vật và khả năng truyền oxy của nồi phản ứng sinh học. Mức oxy hòa tan có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh tốc độ khuấy, tốc độ sục khí và làm giàu oxy.
• Chiến lược cấp liệu: Đối với các quá trình lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất (fed-batch) và liên tục, tốc độ và thành phần cấp liệu phải được tối ưu hóa cẩn thận để tối đa hóa năng suất và sản lượng sản phẩm. Các chiến lược kiểm soát phản hồi có thể được sử dụng để điều chỉnh tốc độ cấp liệu dựa trên các phép đo thời gian thực về nồng độ glucose, pH hoặc oxy hòa tan.

3. Giám sát và kiểm soát

Việc giám sát và kiểm soát hiệu quả các thông số quy trình quan trọng là cần thiết để có hiệu suất và chất lượng sản phẩm nhất quán. Điều này đòi hỏi việc sử dụng các cảm biến, hệ thống kiểm soát và kỹ thuật phân tích dữ liệu phù hợp.

• Cảm biến: Có nhiều loại cảm biến khác nhau để theo dõi các thông số quy trình quan trọng, bao gồm nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, nồng độ glucose, nồng độ sinh khối và nồng độ sản phẩm. Việc lựa chọn cảm biến phụ thuộc vào thông số cụ thể đang được đo và các yêu cầu của quy trình lên men.
• Hệ thống kiểm soát: Các hệ thống kiểm soát tự động được sử dụng để điều chỉnh các thông số quy trình dựa trên phản hồi từ các cảm biến. Các hệ thống kiểm soát phổ biến bao gồm bộ điều khiển PID (tỷ lệ-tích phân-vi phân), điều chỉnh các biến được điều khiển (ví dụ: nhiệt độ, pH, tốc độ khuấy) để duy trì các điểm đặt mong muốn.
• Phân tích dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các cảm biến và hệ thống kiểm soát có thể được phân tích để xác định xu hướng, phát hiện sự bất thường và tối ưu hóa hiệu suất quy trình. Các kỹ thuật kiểm soát quy trình thống kê (SPC) có thể được sử dụng để theo dõi sự biến đổi của quy trình và xác định các vấn đề tiềm ẩn trước khi chúng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
• Công nghệ Phân tích Quy trình (PAT): PAT là một khuôn khổ để thiết kế, phân tích và kiểm soát các quy trình sản xuất thông qua các phép đo kịp thời các thuộc tính chất lượng quan trọng (CQA) và các thông số quy trình quan trọng (CPP). PAT nhằm mục đích cải thiện sự hiểu biết về quy trình, giảm sự biến đổi và nâng cao chất lượng sản phẩm.

4. Đảm bảo tính vô trùng

Duy trì tính vô trùng là điều tối quan trọng trong các quy trình lên men. Nhiễm bẩn có thể dẫn đến hỏng sản phẩm, giảm năng suất và thậm chí là thất bại hoàn toàn của quy trình. Việc thực hiện các quy trình khử trùng mạnh mẽ và kỹ thuật vô trùng là điều cần thiết.

• Khử trùng thiết bị: Tất cả các thiết bị tiếp xúc với dịch lên men, bao gồm nồi phản ứng sinh học, đường ống và cảm biến, phải được khử trùng kỹ lưỡng trước khi sử dụng. Khử trùng bằng hơi nước là phương pháp phổ biến nhất, nhưng các lựa chọn khác bao gồm hấp tiệt trùng, lọc và khử trùng hóa học.
• Khử trùng môi trường: Môi trường lên men cũng phải được khử trùng để loại bỏ bất kỳ vi sinh vật gây ô nhiễm nào. Điều này thường được thực hiện bằng cách hấp tiệt trùng hoặc lọc vô trùng.
• Kỹ thuật vô trùng: Tất cả các hoạt động liên quan đến việc mở nồi phản ứng sinh học hoặc đưa vật liệu vào dịch lên men phải được thực hiện bằng kỹ thuật vô trùng. Điều này bao gồm việc sử dụng thiết bị vô trùng, đeo găng tay vô trùng và làm việc trong môi trường sạch sẽ.
• Lọc không khí: Không khí đi vào nồi phản ứng sinh học phải được lọc qua các bộ lọc vô trùng để loại bỏ bất kỳ vi sinh vật nào trong không khí.
• Hệ thống kín: Sử dụng hệ thống kín giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm bẩn. Điều này bao gồm việc kết nối tất cả các thiết bị và đường ống trong một vòng kín và tránh mọi sự chuyển giao vật liệu hở.

5. Kiểm soát bọt

Sự hình thành bọt là một vấn đề phổ biến trong các quy trình lên men, đặc biệt là những quy trình có liên quan đến protein hoặc chất hoạt động bề mặt. Bọt quá mức có thể dẫn đến giảm truyền oxy, nhiễm bẩn và mất sản phẩm. Bọt có thể được kiểm soát bằng cách thêm các chất chống tạo bọt hoặc sử dụng các thiết bị phá bọt cơ học.

• Chất chống tạo bọt: Chất chống tạo bọt là hóa chất làm giảm sức căng bề mặt của dịch lên men, ngăn chặn sự hình thành bọt. Các chất chống tạo bọt phổ biến bao gồm silicone, dầu thực vật và axit béo. Việc lựa chọn chất chống tạo bọt phụ thuộc vào quy trình lên men cụ thể và độ nhạy của vi sinh vật.
• Thiết bị phá bọt cơ học: Các thiết bị phá bọt cơ học sử dụng các cánh quay hoặc các thiết bị khác để phá vỡ bọt một cách vật lý. Chúng thường được sử dụng kết hợp với các chất chống tạo bọt.

Các chiến lược để mở rộng quy mô thành công

1. Tiếp cận QbD (Chất lượng qua Thiết kế)

QbD là một phương pháp tiếp cận hệ thống để phát triển bắt đầu bằng các mục tiêu được xác định trước và nhấn mạnh sự hiểu biết về sản phẩm và quy trình cũng như kiểm soát quy trình. Việc áp dụng các nguyên tắc QbD vào việc mở rộng quy mô lên men giúp đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản phẩm nhất quán.

Các yếu tố chính của QbD bao gồm:

• Xác định Hồ sơ Chất lượng Mục tiêu của Sản phẩm (QTPP): QTPP mô tả các đặc tính mong muốn của sản phẩm cuối cùng, chẳng hạn như độ tinh khiết, hiệu lực và độ ổn định.
• Xác định các Thuộc tính Chất lượng Quan trọng (CQA): CQA là các thuộc tính vật lý, hóa học, sinh học hoặc vi sinh vật phải được kiểm soát để đảm bảo chất lượng sản phẩm mong muốn.
• Xác định các Thông số Quy trình Quan trọng (CPP): CPP là các thông số quy trình có thể ảnh hưởng đến CQA.
• Thiết lập Không gian Thiết kế: Không gian thiết kế là sự kết hợp và tương tác đa chiều của các biến đầu vào (ví dụ: CPP) và các thông số quy trình đã được chứng minh là đảm bảo chất lượng. Làm việc trong không gian thiết kế đảm bảo rằng sản phẩm đáp ứng các thuộc tính chất lượng mong muốn.
• Thực hiện Chiến lược Kiểm soát: Chiến lược kiểm soát mô tả cách các CPP sẽ được theo dõi và kiểm soát để đảm bảo rằng quy trình vẫn nằm trong không gian thiết kế và sản phẩm đáp ứng các thuộc tính chất lượng mong muốn.

2. Động lực học chất lưu tính toán (CFD)

CFD là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng dòng chảy của chất lỏng, truyền nhiệt và truyền khối trong các nồi phản ứng sinh học. Các mô phỏng CFD có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế nồi phản ứng sinh học, hệ thống khuấy và hệ thống sục khí. Chúng cũng có thể giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn như vùng chết và các điểm nóng về ứng suất cắt. CFD có thể giảm số lượng các thí nghiệm quy mô thí điểm tốn kém và tốn thời gian cần thiết để mở rộng quy mô.

3. Các mô hình thu nhỏ quy mô

Các mô hình thu nhỏ quy mô là các nồi phản ứng sinh học quy mô nhỏ được thiết kế để mô phỏng các điều kiện trong một nồi phản ứng sinh học sản xuất quy mô lớn. Các mô hình thu nhỏ quy mô có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quy trình khác nhau đến sự phát triển của tế bào, sự hình thành sản phẩm và chất lượng sản phẩm. Chúng cũng có thể được sử dụng để khắc phục các sự cố phát sinh trong quá trình mở rộng quy mô. Các mô hình thu nhỏ quy mô được mô tả đặc tính tốt có thể cung cấp những hiểu biết có giá trị và đẩy nhanh quá trình phát triển.

4. Mô hình hóa và mô phỏng quy trình

Mô hình hóa và mô phỏng quy trình có thể được sử dụng để dự đoán hành vi của quy trình lên men ở các quy mô khác nhau và trong các điều kiện vận hành khác nhau. Các mô hình toán học có thể được phát triển dựa trên các nguyên tắc cơ bản của truyền khối, truyền nhiệt và động học phản ứng. Các mô hình này có thể được sử dụng để tối ưu hóa các thông số quy trình, thiết kế các chiến lược kiểm soát và khắc phục sự cố. Các công cụ như MATLAB, gPROMS và Aspen Plus có thể được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng quy trình.

Những lưu ý về xử lý hạ nguồn

Những cân nhắc về việc mở rộng quy mô không chỉ dừng lại ở bản thân quy trình lên men. Xử lý hạ nguồn, bao gồm việc tách và tinh chế sản phẩm từ dịch lên men, cũng cần được mở rộng quy mô. Việc lựa chọn các kỹ thuật xử lý hạ nguồn phụ thuộc vào bản chất của sản phẩm, nồng độ của nó và độ tinh khiết mong muốn. Các kỹ thuật xử lý hạ nguồn phổ biến bao gồm:

• Tách tế bào: Loại bỏ tế bào khỏi dịch lên men thường là bước đầu tiên trong quá trình xử lý hạ nguồn. Điều này có thể được thực hiện bằng cách ly tâm, lọc hoặc vi lọc.
• Phá vỡ tế bào: Nếu sản phẩm là nội bào, các tế bào phải được phá vỡ để giải phóng sản phẩm. Điều này có thể được thực hiện bằng các phương pháp cơ học (ví dụ: đồng nhất hóa, nghiền bằng hạt) hoặc các phương pháp hóa học (ví dụ: ly giải bằng enzyme).
• Cô lập sản phẩm: Sản phẩm có thể được cô lập khỏi dịch lên men bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm kết tủa, chiết xuất và hấp phụ.
• Tinh chế sản phẩm: Sản phẩm thường được tinh chế bằng các kỹ thuật sắc ký, chẳng hạn như sắc ký ái lực, sắc ký trao đổi ion và sắc ký lọc gel.
• Tạo công thức sản phẩm: Bước cuối cùng trong quá trình xử lý hạ nguồn là tạo công thức cho sản phẩm thành một dạng ổn định và có thể sử dụng được. Điều này có thể bao gồm việc thêm các tá dược, chất ổn định và chất bảo quản.

Các ví dụ toàn cầu về mở rộng quy mô lên men thành công

Một số ngành công nghiệp trên khắp thế giới phụ thuộc rất nhiều vào việc mở rộng quy mô lên men thành công. Dưới đây là một vài ví dụ:

• Ngành Dược phẩm (Toàn cầu): Việc sản xuất kháng sinh, vắc-xin và các dược phẩm sinh học khác phụ thuộc vào quá trình lên men quy mô lớn của vi sinh vật hoặc nuôi cấy tế bào. Các công ty như Pfizer, Roche và Novartis vận hành các cơ sở lên men khổng lồ trên toàn thế giới.
• Ngành Thực phẩm và Đồ uống (Châu Âu, Bắc Mỹ, Châu Á): Việc sản xuất bia, rượu vang, sữa chua, phô mai và các loại thực phẩm và đồ uống lên men khác dựa trên các quy trình lên men có kiểm soát. Các công ty như Anheuser-Busch InBev (Bỉ), Danone (Pháp) và Kirin Brewery (Nhật Bản) đã hoàn thiện việc mở rộng quy mô lên men trong nhiều năm.
• Ngành Nhiên liệu sinh học (Brazil, Mỹ): Sản xuất ethanol từ mía (Brazil) và ngô (Mỹ) bao gồm quá trình lên men đường quy mô lớn bằng nấm men. Các công ty như Raizen (Brazil) và Archer Daniels Midland (Mỹ) vận hành các cơ sở sản xuất nhiên liệu sinh học quy mô lớn.
• Công nghệ sinh học công nghiệp (Đan Mạch, Đức, Trung Quốc): Việc sản xuất enzyme, nhựa sinh học và các sản phẩm dựa trên sinh học khác phụ thuộc vào quá trình lên men của các vi sinh vật được biến đổi gen. Các công ty như Novozymes (Đan Mạch), BASF (Đức) và Amyris (Mỹ) là những người dẫn đầu trong lĩnh vực này.

Xử lý các sự cố thường gặp khi mở rộng quy mô

Mặc dù đã lập kế hoạch và thực hiện cẩn thận, các vấn đề vẫn có thể phát sinh trong quá trình mở rộng quy mô lên men. Dưới đây là một số vấn đề phổ biến và các giải pháp tiềm năng:

• Giảm năng suất sản phẩm: Điều này có thể do những thay đổi trong các con đường trao đổi chất, giới hạn dinh dưỡng hoặc sự tích tụ sản phẩm phụ ức chế. Xem lại thành phần môi trường, tối ưu hóa các chiến lược cấp liệu và đảm bảo truyền oxy đầy đủ.
• Tăng nguy cơ nhiễm bẩn: Điều này có thể do các quy trình khử trùng không đầy đủ hoặc vi phạm kỹ thuật vô trùng. Xem lại các quy trình khử trùng, cải thiện việc lọc không khí và thực hiện các quy trình vô trùng nghiêm ngặt hơn.
• Tạo bọt quá mức: Điều này có thể do những thay đổi trong thành phần môi trường hoặc sinh lý tế bào. Tối ưu hóa việc bổ sung chất chống tạo bọt hoặc lắp đặt thiết bị phá bọt cơ học.
• Thay đổi hình thái tế bào: Điều này có thể do những thay đổi về ứng suất cắt hoặc độ dốc dinh dưỡng. Tối ưu hóa thiết kế cánh khuấy, tốc độ khuấy và các chiến lược cấp liệu.
• Sản phẩm không ổn định: Điều này có thể do những thay đổi về pH, nhiệt độ hoặc sự hiện diện của các enzyme phân hủy. Tối ưu hóa các thông số quy trình và thêm chất ổn định vào môi trường.

Xu hướng tương lai trong việc mở rộng quy mô lên men

Lĩnh vực lên men không ngừng phát triển. Một số xu hướng chính đang định hình tương lai của việc mở rộng quy mô lên men bao gồm:

• Lên men liên tục: Lên men liên tục mang lại một số lợi thế so với lên men theo mẻ, bao gồm năng suất cao hơn, chi phí vận hành thấp hơn và chất lượng sản phẩm ổn định hơn.
• Nồi phản ứng sinh học dùng một lần: Các nồi phản ứng sinh học dùng một lần loại bỏ nhu cầu làm sạch và khử trùng, giảm nguy cơ nhiễm bẩn và đơn giản hóa hoạt động.
• Kiểm soát quy trình tiên tiến: Các kỹ thuật kiểm soát quy trình tiên tiến, chẳng hạn như kiểm soát dự báo theo mô hình (MPC) và học máy, đang được sử dụng để tối ưu hóa các quy trình lên men trong thời gian thực.
• Sinh học tổng hợp: Sinh học tổng hợp đang được sử dụng để thiết kế các vi sinh vật với khả năng trao đổi chất và năng suất được cải thiện.
• Cộng đồng vi sinh vật: Khai thác các cộng đồng và tổ hợp vi sinh vật có thể mở ra các con đường trao đổi chất mới và cải thiện hiệu quả của các quy trình sinh học.

Kết luận

Việc mở rộng quy mô các quy trình lên men thương mại là một bước phức tạp nhưng cần thiết để đưa các sản phẩm sinh học ra thị trường. Bằng cách xem xét cẩn thận các yếu tố chính được thảo luận trong hướng dẫn này, bao gồm thiết kế nồi phản ứng sinh học, tối ưu hóa quy trình, giám sát và kiểm soát, đảm bảo vô trùng và kiểm soát bọt, các công ty có thể mở rộng thành công các quy trình lên men của mình và đạt được chất lượng sản phẩm và hiệu suất nhất quán. Việc áp dụng các công nghệ và phương pháp mới, chẳng hạn như QbD, CFD, các mô hình thu nhỏ quy mô và kiểm soát quy trình tiên tiến, sẽ nâng cao hơn nữa hiệu quả và sự mạnh mẽ của các hoạt động lên men thương mại trên toàn thế giới.