Chương 3

Động học sinh trưởng của tế bào

I. Mở đầu
Hiểu biết đầy đủ động học sinh trưởng của các tế bào thực vật,
động vật và vi sinh vật là rất cần thiết để thiết kế và hoạt động các hệ lên
men. Động học tế bào có quan hệ với tốc độ sinh trưởng tế bào và chịu
ảnh hưởng của các điều kiện vật lý và hóa học.
Động học tế bào là kết quả của hệ thống các phả
n ứng hóa sinh và
các quá trình vận chuyển phức tạp, bao gồm nhiều pha và các hệ thống
nhiều thành phần. Trong suốt thời gian sinh trưởng, hỗn hợp không đồng
nhất của các tế bào già và non thay đổi liên tục và tự thích nghi với môi
trường dinh dưỡng là yếu tố cũng thay đổi liên tục trong các điều kiện
vật lý và hóa học. Nói chung, mô hình toán học chính xác của động học
sinh trưởng là không có thể có được. Thậm chí một mô hình thực tế c
ũng
khó tiếp cận bởi vì nó có thể chứa nhiều thông số không thể xác định.
Vì thế, chúng ta cần giả định có thể đạt được những mô hình đơn
giản như vậy sẽ hữu ích hơn cho việc thiết kế hệ thống lên men (xem
chương 4) và dự báo hiệu suất. Các mô hình khác nhau có thể được phát
triển trên cơ sở các giả định về các thành phần và quần thể tế bào như
trình bày trong bả
ng 3.1.
Ngoài các giả định đối với tế bào, môi trường được thiết kế sao cho
chỉ một thành phần có thể giới hạn tốc độ phản ứng, còn tất cả các thành
phần khác hiện diện ở các nồng độ đủ cao mà những thay đổi nhỏ của
chúng không ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phản ứng. Các hệ thống lên
men cũng được kiểm soát sao cho các thông số môi trường như
pH, nhiệt

không đồng nhất.
Các tế bào bao gồm nhiều
thành phần phức tạp và tạo
thành hỗn hợp không đồng
nhất.

II. Định nghĩa
Trước tiên, chúng ta hãy định nghĩa một số thuật ngữ dùng cho sinh
trưởng của tế bào. Nếu đề cập đến nồng độ tế bào mà không kèm theo bất
kỳ một ghi chú đặc điểm nào, thì nó có thể được hiểu theo nhiều nghĩa khác
nhau. Đó có thể là số lượng tế bào, trọng lượng tươi tế bào, hoặc trọng
lượng khô tế bào trên một đơn vị thể tích. Trong chương này, chúng ta
thống nhấ
t các thuật ngữ sau:
C
X
: nồng độ tế bào, trọng lượng khô tế bào trên một đơn vị thể tích.
C
N
: mật độ số lượng tế bào, số lượng tế bào trên một đơn vị thể tích.
ρ
: mật độ tế bào, trọng lượng tươi tế bào trên một đơn vị thể tích của
khối lượng tế bào.
Từ đó, có thể định nghĩa tốc độ sinh trưởng của tế bào theo một số
cách khác nhau như sau:
dC
X
/dt: sự thay đổi nồng độ khô của tế bào theo thời gian.
r
X

r
Tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào và tốc độ sinh trưởng dựa
trên trọng lượng tế bào không nhất thiết phải giống nhau, bởi vì kích thước
trung bình của các tế bào có thể rất khác nhau khi chuyển từ pha sinh trưởng
này đến pha sinh trưởng khác. Khi sinh khối của một tế
bào riêng biệt tăng
lên mà không có sự phân chia, thì tốc độ sinh trưởng dựa trên trọng lượng tế
bào cũng tăng lên, trong khi tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào lại
giữ nguyên. Tuy nhiên, trong suốt thời gian sinh trưởng theo hàm mũ, pha
sinh trưởng mà chúng ta quan tâm nhất dưới quan điểm của công nghệ, thì
tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào và tốc độ sinh trưởng dựa trên
trọng lượng tế bào có thể
được giả định là tương đương nhau.
Trong một số trường hợp tốc độ sinh trưởng bị nhầm lẫn với tốc độ
phân chia, là khái niệm được định nghĩa như là tốc độ phân chia tế bào trên
một đơn vị thời gian. Nếu tất cả tế bào trong bình nuôi cấy ở thời điểm
(C
0=t
N
= C
No
) phân chia chỉ sau một thời gian nhất định, thì quần thể tế
bào sẽ tăng lên ×2 lần. Nếu các tế bào được phân chia n lần sau thời
gian t, thì số lượng tổng số của tế bào sẽ là:
0
N
C
n
NN
CC 2

Và tốc độ phân chia ở thời gian t là:
Công nghệ tế bào
25
dt
Cd
δ
N2
log
=

(3.4)

Vì thế, tốc độ sinh trưởng (được định nghĩa là sự thay đổi số lượng tế
bào theo thời gian) chính là độ dốc của đường cong C
N
theo t. Trong khi đó,
tốc độ phân chia là độ dốc của đường cong log
2
C
N
theo t. Như đã giải thích,
tốc độ phân chia là hằng số trong suốt thời gian sinh trưởng theo hàm mũ,
trong khi đó tốc độ sinh trưởng lại không như vậy. Vì thế, hai khái niệm này
không được nhầm lẫn với nhau.

III. Chu kỳ sinh trưởng của nuôi cấy mẻ
Nếu nuôi cấy các vi sinh vật đơn bào trong môi trường vô trùng sạch
và đo mật độ số lượng tế bào theo thời gian thì trên đồ thị của nó ta có thể
thấy có sáu pha sinh trưởng và chết của tế bào (Hình 3.1), đó là:
- Pha lag. Là thời gian khi sự thay đổi số lượng tế bào bằng không.


12
10
8
C
5
10
−
×
N
C

dt
Cd
N
ln