Giáo trình kỹ thuật lên men công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI - GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT LÊN MEN CƠNG NGHIỆP PGS TS Lê Gia Hy Hà Nội, 7/ 2021 LỜI NĨI ĐẦU Cơng nghệ lên men tảng cơng nghiệp sinh học, cơng nghệ sinh học đưa quy trình cơng nghệ mới, sản phẩm có giá trị thương mại cao, góp phần quan trọng đưa thành nghiên cứu triển khai công nghệ vào sản xuất công nghiệp Hiểu trình cơng nghệ lên men, ứng dụng vi sinh vật thực tiễn sản xuất nhiệm vụ cán nghiên cứu phát triển cơng nghệ sinh học Trong q trình cơng nghệ lên men sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học chia làm giai đoạn chính: Giai đoạn lên men giai đoạn thu hồi hoàn thiện sản phẩm, hiểu rõ kỹ thuật lên men nhằm nâng cao suất lên men quan trọng, vừa góp phần hồn thiện quy trình sản xuất, vừa tạo sản phẩm có ý nghĩa thương mại cao Lên men công nghiệp ngành khoa học liên ngành áp dụng nguyên tắc liên quan đến sinh học kỹ thuật, khía cạnh sinh học tập trung vào vi sinh vật học hóa sinh, cịn khía cạnh kỹ thuật áp dụng động lực học chất lỏng kỹ thuật vật liệu Q trình lên men cơng nghiệp chủ yếu gắn liền với việc khai thác thương mại vi sinh vật quy mô lớn, vi sinh vật sử dụng lồi tự nhiên, đột biến biến đổi gene Nhiều sản phẩm có giá trị kinh tế đáng kể tạo từ q trình lên men cơng nghiệp ứng dụng công nghệ thực phẩm, công nghệ dược phẩm, sản xuất hóa chất, sản xuất nông nghệp, sản xuất lượng sinh học bảo vệ mơi trường Cuốn “Giáo trình kỹ thuật lên men công nghiệp” xem sách chuyên sâu kỹ thuật lên men công nghiệp sản phẩm công nghệ sinh học, phần quan trọng q trình sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học Do vậy, mục đích của sách nhằm cung cấp kiến thức cơng nghệ lên men nói chung, ngun lý, kỹ thuật lên men mức độ công nghiệp sản phẩm công nghệ sinh học cho sinh viên, học viên cao học nghiên cứu sinh chuyên ngành công nghệ sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học Cuốn Giáo trình gồm chương soạn theo Đề cương chi tiết học phần Kỹ thuật lên men công nghiệp, mã số BEKL, Trường Đại học Mở Hà Nội: Chương 1: Đại cương công nghệ lên men, mục đích, phân loại cơng đoạn q trình lên men lên men cơng nghiệp Chương 2: Chuẩn bị chủng giống sản xuất mức độ công nghiệp giải pháp kỹ thuật để cấp giống chất lượng cho trình sản xuất Chương 3: Chuẩn bị môi trường hệ thống thiết bị lên men cho q trình sản xuất mức độ cơng nghiệp Chương 4: Giới thiệu kỹ thuật lên men cơng đoạn q trình lên men sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học quy mô công nghiệp Chương 5: Giới thiệu giải pháp hạn chế nhiễm tạp sản xuất công nghiệp, đánh giá hiệu lên men để mở rộng quy mô sản xuất xây dựng phương án phát triển sản phẩm Tuy nhiên, thời gian có hạn, sách tập trung vào phần kỹ thuật lên men theo Đề cương chi tiết học phần, chắn cịn nhiều thiếu sót, mong đóng góp ý kiến độc giả để sách bổ sung hoàn thiện Hà Nội, tháng năm 2021 Tác giả Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ LÊN MEN 1.1 Khái niệm công nghệ lên men 1.1.1 Công nghệ lên men 1.1.1.1 Lên men Lên men công nghệ lâu đời tất q trình cơng nghệ sinh học Theo tiếng Latin, động từ fevere, có nghĩa sôi xuất nước chiết malt nghiền tác động nấm men trình sản xuất rượu Lên men q trình chuyển hóa hóa học nhờ thể sống sản phẩm chúng thường sinh khí (CO2) nhiệt Các nhà vi sinh vật xem lên men “bất kỳ trình sản xuất sản phẩm cách ni cấy lượng lớn vi sinh vật”, cịn nhà sinh hóa học xem lên men trình sinh lượng hợp chất hữu tất chất nhường nhận điện tử, lên men q trình kỵ khí mà lượng sản sinh khơng có tham gia oxy chất nhận điện tử vơ Đây q trình lên men kỵ khí nhờ vi sinh vật lên men hay gọi lên men truyền thống Lên men phương pháp dùng để chuyển hóa nguyên liệu để thu sản phẩm phục vụ cho đời sống người Ban đầu lên men dùng sản xuất loại thực phẩm rượu, giấm, sữa chua,… Cùng với phát triển khoa học ưu điểm vượt trội mình, lên men cịn dùng để sản xuất nhiều loại sản phẩm dịch vụ khác kháng sinh, hóa chất, xử lý nước thải Kỹ thuật lên men trở nên ngày phong phú nhiều mặt khác nhau: nguyên liệu, sản phẩm, trang thiết bị Q trình lên men có oxy phân tử tham gia, để sinh tổng hợp chất trao đổi sơ cấp thứ cấp, sinh tổng hợp loại enzyme v.v… lên men hiếu khí hay cịn gọi lên men sinh tổng hợp 1.1.1.2 Công nghệ lên men Nói cách đơn giản hơn, cơng nghệ sinh học có nghĩa sử dụng thể sản phẩm chúng mức độ công nghiệp Công nghệ sinh học lĩnh vực khoa học bao gồm mặt khoa học, công nghệ thương mại lĩnh vực hoạt động người từ sản xuất nông nghiệp đến bảo vệ môi trường Do vây, công nghệ sinh học gì? Theo định nghĩa Liên đồn châu Âu Cơng nghệ sinh học (năm 1981) “Cơng nghệ sinh học coi tập hợp ngành sinh hóa học, vi sinh vật học, tế bào học, di truyền học với mục tiêu đạt tới ứng dụng công nghệ vi sinh vật, mô, tế bào nuôi cấu phần tế bào” Để hiểu rõ khái niệm này, người ta thể mơ hình cơng nghệ sinh học (Hình 1.1) Trong ba thành phần trung tâm công nghệ sinh học vi sinh vật học tảng cho phát triển công nghệ sinh học Công nghệ sinh học lĩnh vực rộng lớn Nếu xếp theo đối tượng sinh học, công nghệ sinh học chia thành ngành: 1- Công nghệ sinh học vi sinh vật công nghệ nhằm khai thác tốt khả kỳ diệu vi sinh vật, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao (công nghệ lên men) 2- Công nghệ tế bào (tế bào động vật thực vật): Công nghệ nhằm tạo điều kiện cho tế bào động thực vật phát triển tốt mơi trường xác định an tồn Cơng nghệ chủ yếu công nghệ tế bào kỹ thuật nuôi cấy mô 3- Công nghệ gen công nghệ nền, cải biến chủng giống nhằm nâng cao hiệu suất chủng giống sản xuất đa dạng hóa sản phẩm sinh học Công nghệ sinh học vi sinh vật học trở thành tảng cho phát triển công nghệ sinh học theo giai đoạn: Giai đoạn Cơng nghệ sinh học truyền thống q trình dân dã nhằm chế biến, bảo quản loại thực phẩm, xử lý đất đai, phân bón để phục vụ nơng nghiệp Hình 1.1: Mơ hình cơng nghệ sinh học Giai đoạn Công nghệ sinh học cận đại trình sử dụng nồi lên men công nghiệp để sản xuất quy mô lớn sản phẩm sinh học mỳ chính, axit amin, axit hữu cơ, dung môi hữu cơ, chất kháng sinh, số vitamin (như vitamin B2, B12, C ), nhiều loại enzyme Giai đoạn Công nghệ sinh học đại chia lĩnh vực như: Công nghệ di truyền (genetic engineering), công nghệ tế bào (cell engineering), công nghệ enzyme protein (enzymprotein engineering), công nghệ vi sinh vật/ công nghệ lên men (microbial engineering/ fermentation), công nghệ môi trường (environmental engineering) Công nghệ sinh học đại thường gắn liền với thể mang gene tái tổ hợp (recombination gene) Như vậy, công nghệ sinh học vi sinh vật hay cịn gọi cơng nghệ vi sinh vật ngành công nghệ nhằm khai thác tốt khả kỳ diệu vi sinh vật Vi sinh vật coi nhà máy nhỏ tinh vi, mà nhiệm vụ công nghệ vi sinh vật tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao Chính vậy, trước ngồi ngành vi sinh vật học đại cương người ta phát triển thành ngành vi sinh vật công nghiệp Chỉ từ cơng nghệ sinh học hình thành người ta coi ngành công nghệ vi sinh vật, mà điều kiện thuận lợi vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao điều kiện nuôi cấy vi sinh vật Về chất cơng nghệ sinh học vi sinh vật cơng nghệ lên men Trong công nghệ sinh học, khái niệm công nghệ lên men sử dụng theo nghĩa rộng, nghĩa không sử dụng vi sinh vật lên men (fermentative microorganisms) lên men điều kiện kỵ khí tạo sản phẩm lên men truyền thống, mà sử dụng vi sinh vật hiếu khí, tế bào động vật thực vật lên men nồi lên men nồi phản ứng sinh học có sục khí để sinh tổng hợp sản phẩm mong muốn, gọi lên men sinh tổng hợp 1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển công nghệ lên men 1.1.2.1 Các giai đoạn phát triển công nghệ lên men ứng dụng Giai đoạn 1: Thời kỳ trước Pasteur (đến 1865) Con người ứng dụng tiềm vi sinh vật sản xuất sản phẩm chưa nhận thức tồn chúng tự nhiên sản xuất đồ uống chứa rượu, rượu vang, bia, sản xuất thực phẩm lên men muối chua rau quả, ủ chua thức ăn cho gia súc… Khoảng 7000 năm trước Công nguyên, nho bắt đầu trồng, sau đó, rượu vang bắt đầu sản xuất Các nhà khảo cổ tìm số dụng cụ mà họ cho dùng để sản xuất rượu, bia có niên đại 6000 đến 5000 năm trước Công nguyên Georgia, Iran Ai Cập Lên men sữa để sản xuất sữa chua (lên men lactic) xuất Babylon vào khoảng 3500 năm trước Công nguyên Trong khoảng từ năm 200 trước Công nguyên đến năm 200, thêm nhiều sản phẩm lên men đời: Rau muối chua, phô mai, tương số sản phẩm từ đậu nành tương nén (tempeh) Indinesia, tương miso Nhật Bản, Đầu kỷ 17, Jan Baptist van Helmont quan sát thấy cặn rượu vang dùng để lên men rượu ông gọi chất cặn "fermentum" Thuật ngữ có xuất xứ La tinh, “fervere” nghĩa sơi, “ferveo” nghĩa sủi bọt (vì lên men rượu, bề mặt dịch lên men xuất nhiều bọt sơi) Ơng nhận xét chất khí bề mặt dịch lên men chất khí tạo đốt than Vào đầu kỷ 17, dụng cụ đời tạo điều kiện cho phát triển mạnh mẽ sinh học, kính hiển vi quang học Nhờ dụng cụ ta tìm hiểu cấu trúc sinh vật cách cặn kẽ Một nhân vật có đóng góp đáng kể lĩnh vực Anton Philips van Leeuwenhoek Ông người chuyên mài tinh chế thấu kính dùng để chế tạo kính hiển vi người chế tạo kính hiển vi Ơng có thói quen ghi chép quan sát tìm cách giải thích chúng Bằng cách ơng ta trở thành nhà nghiên cứu khoa học nghiệp dư Tuy vậy, cơng trình có giá trị nhà nghiên cứu khác coi trọng khối lượng nghiên cứu đáng kể (560 báo cáo ghi nhận) Năm 1675 van Leeuwenhoek, quan sát vi sinh vật hoạt động chúng Ông xem người phát minh vi sinh vật học Năm 1836, Dore Schwann khám phá nguyên nhân lên men rượu sinh vật đơn bào sử dụng đường, mà ông gọi tên “nấm đường” (Saccharomyces) Sau đó, Charles Caignard de Latour xác định loại sinh vật đơn bào nấm men, sử dụng đường để sinh rượu CO2, sinh sản cách nẩy chồi Đặc trưng giai đoạn lên men truyền thống (Traditional fermentation), trình lên men tạo sản phẩm lên men nhờ vi sinh vật, sản xuất thủ công, mang sắc thái kinh nghiệm sắc riêng dân tộc Giai đoạn 2: Thời kỳ sau Pasteur (1865-1940) Giai đoạn xem giai đoạn phát triển công nghiệp lên men, bao gồm cơng trình Pasteur (1865) lên men học thuyết mầm bệnh, Pasteur đề phương pháp trùng Pasteur để khử trùng rượu nho, bia mà không làm hỏng phẩm chất, mà ngày sử dụng công nghệ thực phẩm Bởi vậy, Pasteur coi người sáng lập vi sinh vật công nghiệp Cũng giai đoạn này, phát triển hoá sinh học với kiến thức trao đổi chất trung gian phát làm chủ việc phát sử dụng loại enzyme sản xuất công nghiệp Năm 1854, Louis Pasteur, bác bỏ Thuyết tự sinh (Hình 1.2 1.3) tìm mối liên hệ lên men nấm men Ông kết luận loại vi sinh vật sử dụng chất đường có sẵn nho để chuyển hóa thành rượu điều kiện kỵ khí Từ đó, thuật ngữ lên men (fermentation) cịn có nghĩa khác hơ hấp điều kiện kỵ khí Pasteur nhận thấy rằng, sau lên men đạt yêu cầu, ta đun nóng rượu vang bảo quản lâu nhiều Kỹ thuật xử lý nhiệt sau mang tên ơng: Khử trùng Pasteur (pasteurization) Hình 1.2: Luis Pasteur (1822-1895) Hình 1.3: Thí nghiệm Louis Pasteur bác bỏ thuyết tự sinh Tuy số trình thực quy mô rộng rãi, thành cơng cịn phụ thuộc vào ngẫu nhiên hay kinh nghiệm người thợ giỏi truyền cho hệ sau Vai trò vi sinh vật chuyển hóa chất hữu người biết đến khoảng 100 năm trước Năm 1883, Emil Christian Hansen, nhà thực vật học người Dan Mạch, sâu nghiên cứu nấm học sinh lý lên men, làm cách mạng cơng nghiệp lên men bia phát minh phương pháp nuôi cấy chủng nấm men khiết Như vậy, việc nghiên cứu sử dụng chủng Hình 1.4: Christian Hình 1.5: Eduard nấm men khiết Saccharomyces Buchner (1860-1917) Hansen (1842-1909) carlsbergensis sản xuất bia xem bước mở đầu cho cơng nghiệp lên men dựa sở khoa học Công nghệ sinh học bắt đầu với ngành sản xuất bia Vào thời đó, Đức quốc gia tiêu thụ nhiều bia Sản xuất loại thức uống có cồn ngành có lợi nhuận lớn, mặt khác thuế đánh mặt hàng đóng góp phần không nhỏ vào ngân sách nhà nước Điều thúc đẩy nghiên cứu có chiều sâu trình lên men bia tìm cách ứng dụng vào công nghiêp Trung tâm nghiên cứu tiếng lĩnh vực Viện Carlsberg tìm nhiều quy trình đặc biệt để nấu bia Năm 1897, Eduard Buchner - nhà hóa học men học khám phá nguyên nhân sâu xa lên men Ông dùng chất chiết từ nấm men sau nghiền lọc qua phễu lọc sứ (sau gọi phễu Buchner) để lên dịch vô trùng thành rượu mà không cần tế bào nấm men sống đến kết luận chuyển hóa loại đường có dịch thành rượu có chất hóa học mà khơng phải sinh học Buchner khám phá chất nấm men tiết để chuyển đường thành rượu có chất protein ơng gọi “zymase” từ tiếp vĩ ngữ “ase” dùng để enzyme Ông nhận Giải thưởng Nobel Hóa học năm 1907 Trong Thế chiến thứ nhất, chiến tranh cấm vận mà cung cấp nhu yếu phẩm cho người nguyên liệu cho công nghiệp bị giảm sút Các nhà khoa học tham gia để giải vấn đề công nghệ sinh học bắt đầu phát triển mạnh Đức sử dụng sinh khối từ trình lên men để thay 60% thức ăn gia súc mà trước họ phải nhập khẩu, sản xuất axit lactic, aceton, butanol, Năm 1917, James Currie, khám phá số chủng nấm mốc Aspergillus niger có khả tạo axit citric tốt Công ty Pfizer sản xuất axit quy mô công nghiệp phương pháp nuôi cấy bề mặt Đặc trưng giai đoạn thứ hai hiểu biết hoạt tính vi sinh vật, vai trò vi sinh vật lên men sản xuất đồ uống có cồn, giai đoạn đánh dấu việc đặt sở khoa học cho trình lên men sản xuất lớn sản phẩm lên men truyền thống Giai đoạn Thời kỳ phát triển lên men công nghiệp (1941-1970) Đây giai đoạn phát triển cơng nghiệp kháng sinh, hóa chất kiểm sốt môi trường, bao gồm xuất chất kháng sinh, tiến di truyền học việc chọn lọc thể đột biến vi khuẩn, nghiên cứu điều kiện lên men tối ưu, kỹ thuật học lên men, việc tách tinh chế sản phẩm Hình 1.6: Ngài Alexander Năm 1928, Alexander Fleming - nhà vi sinh vật học, Fleming (1881-1955) sinh lý học dược học người Scotland, người phát minh lysozym năm 1923, khám phá chất benzylpenicillin (penicillin G) từ nấm mốc Penicillium notatum có khả tiêu diệt số vi sinh vật gây bệnh hiệu Đến 1940, penicillin, chất kháng sinh sản xuất quy mô công nghiệp phương pháp lên men ứng dụng hiệu y học Ông Howard Florey and Ernst Boris Chain nhận Giải Hình 1.7: Selman A Waksman phòng thưởng Nobel sinh lý học y học năm thí nghiệm, Đại học Rutgers, nơi nghiên 1945 Ơng có nhiều cơng trình cơng bố cứu phát minh chất kháng sinh vi sinh vật học, miễn dịch học hóa trị actinomycin, 1940 liệu Từ mở hướng ứng dụng lên men để sản xuất loại kháng sinh hàng loạt chất khác steroid, vitamin Nhiều năm sau này, phát minh penicillin, streptomycin phát triển thương mại chất xem khởi đầu cho kỷ nguyên kháng sinh Ngay từ năm 1940, Selman A Waksman, nhà vi sinh vật đất Trường Đại học Rutgers (Mỹ) thành công lĩnh vực kháng sinh nhờ phát minh nhiệu chất kháng sinh từ vi khuẩn sợi (xạ khuẩn) actinomycin D, neomycin, đặc biệt loại “thuốc tuyệt vời” tiếng streptomycin Kết hợp với việc phát triển q trình cơng nghiệp trường đại học Rutgers, Princeton, Columbia Merck & Co., Inc sinh lĩnh vực kỹ thuật sinh hóa (biochemical engineering) Sau nhiều chất kháng sinh từ xạ khuẩn phát trở thành “thuốc tuyệt vời” chloramphenicol (1947), tetracyclin (1948), kháng sinh macrolid erythromycin (1952), kháng sinh glycopeptid vancomycin (năm 1956), kháng sinh aminoglycosid gentamicin (1963), kháng sinh β-lactam cephamycin (1970) carbapenem (1979), kháng sinh ansamycin rifamycin (1957) kháng sinh polyen nystatin (1950) Gần 15.000 chất trao đổi thứ cấp phát hiện, có khoảng 12.000 chất kháng sinh, khoảng 70% từ xạ khuẩn, vi khuẩn chiếm 10% nấm mốc chiếm 20% Năm 1957, bột (monosodium glutamat) Ajinomoto đưa vào sản xuất quy mô lớn phương pháp lên men Đặc trưng giai đoạn thứ ba phát triển công nghiệp vi sinh vật độc lập Người ta điều khiển trình siêu tổng hợp vi sinh vật tạo hàng loạt chủng đột biến Nhờ sản xuất quy mơ lớn chất kháng sinh, mỳ chính, lysine nhiều loại axit amin khác Giai đoạn Giai đoạn phát triển công nghệ sinh học đại (1980 đến nay) Nhờ phát minh tượng biến nạp (transformation) Griffith (1928) tượng tiếp hợp Lederberg Tatum (1946), chứng minh vật liệu di truyền DNA Avery, MacLeod (1944), khám phá cấu trúc DNA Watson Crick (1953) phát điều hoà tổng hợp protein Jacob & Monod (1957) đặt móng cho kỹ thuật di truyền Từ năm 1973, Berg, Boyer & Cohen đề xuất kỹ thuật di truyền Sau phát enzyme cắt giới hạn (restrictase) Nathans, Smith & Arber (1971), enzyme chép ngược Dulbecco, Temin, Baltimore (1975) enzyme endonuclease giới hạn Werner Arber (1978) đề xuất công nghệ DNA tái tổ hợp dựa phát triển cơng nghệ gene Hình 1.8: Chọn dịng (cloning) gen Như vậy, giai đoạn được đánh dấu plasmid ứng dụng công nghệ sinh phát enzyme cắt giới hạn học restrictase plasmid với gắn 10 5.3.2 Chủng sản xuất phải phù hợp với phương pháp lên men mục tiêu thu hồi sản phẩm sau lên men 5.3.2.1 Phù hợp phương pháp lên men Chủng giống sản xuất phù hợp với phương pháp lên men Chủng giống vi sinh vật phù hợp với mục đích lên men sản phẩm dựa kỹ thuật lên men: Hiếu khí hay kỵ khí, lên men thu nhận sinh khối hay sản phẩm trao đổi chất sơ cấp hay thứ cấp, lên men môi trường xốp hay lên men chìm, lên men theo mẻ hay lên men liên tục, hay lên men có bổ sung chất Chủng giống sản xuất cần đạt yêu cầu Chủng sản xuất phải chủng vi sinh vật chủng (sạch), không chứa vi sinh vật lạ, đặc biệt không nhiễm thể thực khuẩn (bacteriophage); cho suất cao, chất lượng tốt, sản phẩm phụ khơng mong muốn; thời gian lên men ngắn; sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh có khả chống chịu với điều kiện bất lợi môi trường Chủng dễ bảo quản ổn định đặc tính sinh lý, sinh hóa thời gian sử dụng Chủng sản xuất phải đạt tiêu chuẩn giống đưa vào sản xuất Một chủng vi sinh vật coi chủng giống tốt sử dụng sản xuất hội tụ nhiều đặc tính ưu việt, trước hết phải có suất cao, đồng thời phải có thêm đặc điểm sau: (1) Có khả sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm phụ phẩm, nguyên liệu thô…; (2) Khơng tạo sản phẩm phụ q trình lên men sản xuất; (3) Ít mẫn cảm với vi sinh vật tạp nhiễm thể thực khuẩn; (4) Tách chiết sinh khối hay sản phẩm khỏi dịch lên men dễ dàng Việc lựa chọn chủng giống vi sinh vật cho quy trình cơng nghệ quan trọng Người ta thường lựa chọn chủng có hoạt tính cao cách hoàn thiện genotype nhờ phương pháp chọn lọc tự nhiên, lai tạo, gây đột biến tác nhân vật lý tia UV, tia X, tia Gamma chất gây đột biến etylenimin, axit nitric, nitrosoguanidin… Hiện nay, nhờ hiểu biết đường trao đổi chất, phương pháp gây đột biến tạo nhiều biến đổi gen chọn lọc định hướng bổ sung chất chọn lọc vào môi trường trình tuyển chọn nâng cao hoạt tính sinh tổng hợp chúng, khơng sử dụng chọn lọc phương pháp đột biến chọn lọc ưu điểm chủng sản thuận lợi cho trình sản xuất Do vậy, vài thập niên gần đây, người ta sử dụng phương pháp kỹ thuật di truyền tạo chủng giống có tính chất mong muốn cách chủ động Rõ ràng việc hoàn thiện genotyp chủng giống khơng có điểm dừng phải làm thường xun Chính vậy, chủng giống dùng sản xuất có đặc tính ngày hồn hảo hơn, suất ngày cao, giá thành sản phẩm ngày hạ, đáp ứng ngày tốt yêu cầu người Trong trình sử dụng sản xuất, chủng giống cải biến, thường xuyên bị phân ly thối hóa, chủng giống sản xuất cần chọn lọc lại, đánh giá hiệu suất lên men trước đưa vào trình lên men sản xuất 5.3.2.2 Phù hợp mục tiêu thu hồi sản phẩm sau lên men Các sản phẩm sinh học nói chung sản phẩm sản xuất cơng nghệ sinh học sử dụng vào mục đích khác nhau: Làm thuốc chữa bệnh, chế biến thực phẩm, sản xuất 167 cơng nghiệp, nơng nghiệp Do đó, sản phẩm phải đảm bảo chất lượng thuốc theo quy định, đảm bảo an toàn thực phẩm, đảm bảo an toàn sinh học, đặc biệt sinh vật biến đổi di truyền Ở đây, chất lượng sản phẩm (hoạt tính sinh học), cịn phải quan tâm đến cấp độ tinh sản phẩm theo mục đích yêu cầu sử dụng (xem mục 2.1.1.4, An tồn mục đích sử dụng) Các kỹ thuật dùng trình thu hồi sản phẩm công nghệ sinh học sử dụng phụ thuộc vào mục đích, nhu cầu sử dụng sản phẩm Các sản phẩm phải đánh giá tiêu an toàn: An tồn dược phẩm Theo Thơng tư Số: 11/2018/TT-BYT, Bộ Y tế, ngày 04 tháng năm 2018: Quy định chất lượng thuốc, nguyên liệu làm thuốc, tiêu chuẩn chất lượng thuốc, nguyên liệu làm thuốc theo dược điển theo tiêu chuẩn sở thuốc, nguyên liệu làm thuốc sở sản xuất, pha chế; phải thẩm định, đánh giá phương pháp kiểm nghiệm ghi tiêu chuẩn chất lượng thuốc, nguyên liệu làm thuốc sở sản xuất công bố áp dụng Áp dụng Dược điển Việt Nam, dược điển tham chiếu Dược điển Châu Âu, Anh, Hoa Kỳ, Quốc tế, Nhật Bản để đánh giá chất lượng sản phẩm Phương pháp kiểm nghiệm chung áp dụng phải phù hợp với phương pháp kiểm nghiệm chung tương ứng ghi Dược điển Việt Nam dược điển tham chiếu quy định điểm a Khoản Điều Tiêu chuẩn sở thuốc, nguyên liệu làm thuốc phải đáp ứng yêu cầu tiêu chất lượng, mức chất lượng quy định chuyên luận tương ứng Dược điển Việt Nam tiêu chất lượng, mức chất lượng, phương pháp kiểm nghiệm chung quy định Phụ lục Dược điển Việt Nam Như vậy, Sản phẩm thuốc tiêm thuốc uống cho người theo Tiêu chuẩn Dược điển; Sản phẩm thuốc thú y theo tiêu chuẩn thuốc thu y; Sản phẩm thuốc bơi ngồi da (theo quy định Dược điển) Sản phẩm kỹ thuật - nguyên liệu thô để điều chế sản phẩm khác (theo tiêu chuẩn sở) An toàn thực phẩm Trên giới, tiêu chuẩn an toàn thực phẩm nước có điều luật, quy định riêng lĩnh vực an toàn vệ sinh thực phẩm Tuy nhiên, chúng dựa 02 tiêu chuẩn sau: Tiêu chuẩn HACCP (Phân tích mối nguy điểm kiểm soát tới hạn) tiêu chuẩn tiếp cận dựa xác định rủi ro, có hệ thống để ngăn ngừa nhiễm sinh-hóa học vật lý thực phẩm mơi trường sản xuất , đóng gói phân phối Khái niệm HACCP thiết kế để chống lại mối nguy hiểm đến sức khỏe cách xác định vấn đề an toàn thực phẩm tiềm ẩn trước chúng xảy ra; thay kiểm tra thực phẩm mối nguy hiểm sau thực tế Tiêu chuẩn địi hỏi phải kiểm sốt chất gây ô nhiễm số điểm quy trình sản xuất thực phẩm; tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc vệ sinh suốt trình sản xuất phân phối Tiêu chuẩn GMP (Good Manufacturing Practices): GMP tiêu chuẩn hướng dẫn nhằm đảm bảo chất lượng quốc tế công nhận để sản xuất sản phẩm thực phẩm, đồ uống, dược phẩm, bổ sung chế độ ăn uống, mỹ phẩm thiết bị y tế Các hướng dẫn đưa nguyên tắc chung mà sở nhà sản xuất phải thực Nhằm đảm bảo sản phẩm ln có chất lượng cao khâu chế biến, sản xuất, 168 phân phối; đồng thời an toàn cho người sử dụng Bao gồm kiểm tra sản thực phẩm bắt buộc điểm kiểm soát quan trọng Tiêu chuẩn ISO 22000: tiêu chuẩn quốc tế thực hệ thống quản lý an tồn thực phẩm chứng nhận Nó bao gồm giao tiếp tương tác, quản lý hệ thống kiểm soát mối nguy Nó sử dụng tổ chức quy mô vị trí chuỗi thực phẩm Như vậy, sản phẩm công nghệ sinh học phải đáp ứng cầu an toàn chất lượng thực phẩm theo ISO 2200 cấp chướng nhân đủ an toàn thực phẩm An tồn sinh học Ngồi vi sinh vật có lợi, nhiều loại có khả gây bệnh cho người, gia súc trồng Chính vậy, chủng giống sản xuất công nghệ lên men phải đánh giá mức độ an toàn sinh học theo nhóm rủi ro (xem mục 2.1.1.4) Phù hợp với công nghệ thu hồi Chủng giống sản xuất phải phù hợp với biện pháp thu hồi có sở có có ý nghĩa kinh tế, ví dụ chủng sản sinh nhiều hợp chất thừa, suất thấp ảnh hưởng nhiều đên cơng nghệ thu hồi 5.3.3 Chuẩn bị điều kiện thiết bị lên men 1.4.2.1 Các khâu cần chuẩn bị cho trình lên men Để thực lên men sản xuất mức độ cơng nghiệp, q trình chuẩn bị phức tạp, đòi hỏi phải cẩn trọng khâu: a Kiểm tra chất lượng chủng giống sản xuất đảm bảo chủng phát triển tốt có suất cao b Chuẩn bị nguyên liệu để làm môi trường từ giai đoạn nhân giống đến giai đoạn lên men phù hợp c Kiểm tra hệ thống lên men phù hợp cho mức độ sản xuất: Máy lắc, hệ thống bình nhân giống cấp 1, cấp 2, hệ thống bình lên men, dụng cụ thiết thu hồi sản phẩm sau lên men d Chuẩn bị dụng cụ kiểm tra phù hợp máy đo pH, đo oxy hòa tan, máy đo nhiệt độ, dụng cụ lấy mẫu, dung cụ môi trường cần thiết để kiểm tra mức độ sinh trưởng phát triển vi sinh vật, e Chuẩn bị chất bổ sung cần thiết dung dịch điều chỉnh pH, chất bổ sung khác trình lên men 1.4.2.2 Chuẩn bị giống cho trình lên men Các cấp độ lên men Tùy thuộc vào cấp độ sản xuất mà người ta chia thành cấp độ sau đây: a Cấp độ phịng thí nghiệm: Sau phát khả sinh hợp chất mong muốn, chủng vi sinh vật ni bình nhỏ phịng thí nghiệm để lựa chọn mơi trường điều kiện ni cấy thích hợp Thơng thường hệ thống lên men phịng thí nghiệm thường có máy lắc để kiểm tra chất lượng chủng giống, có hệ thống bình lên men với dung tích bình nhỏ từ 1-10 lit Hiện nay, thiết bị lên men phịng thí nghiệm thường có hệ thống kiểm sốt chặt chẽ điều kiện lên men tốc độ khuấy, nhiệt độ, pH, 169 nồng độ oxy hòa tan, khả sinh bọt v.v Thông thường, chế độ lên men định sẵn lập trình máy tính kiểm sốt tồn q trình lên men, thơng số lên men nhận được, ghi lại máy tính để tìm điều kiện lên men tối ưu b Cấp độ sản xuất thử nghiệm (pilot): Ở cấp độ này, ngồi hệ thồng lên men cấp độ phịng thí nghiệm dung tích bình lên men thơng thường từ 50 đến 300 lit Thông qua thử nghiệm cấp độ này, đánh giá chất lượng suất chủng giống sản xuất, đánh giá điều kiện lên men có phù hợp cho sản xuất lớn mức độ công nghiệp không? c Cấp độ sản xuất quy mô công nghiệp: Lên men sản xuất mức độ cơng nghiệp, thơng thường dung tích bình lên men từ 1.000 lit đến 30.000 lit, phải có lượng giống phù hợp cho bình lên men tương ứng Thơng thường lượng giống đưa vào chiếm1/10 thể tích mơi trường lên men, phải nhân giống cấp cấp Để đảm bảo cho trình lên men lớn, tránh gây gây lãng phí cho sản xuất, thống thường người ta làm bình nhân giống, kiểm tra chất lượng giống kiểm tra nhiễm tạp trước cấy giống vào bình lên men Quá trình chuẩn bị giống cho lên men Bước Kiểm tra chất lượng giống Chủng giống sản xuất phải đảm sạch, vô trùng, đảm bảo chất lượng đưa vào sản xuất, phải kiểm tra chất lượng giống phịng thí nghiệm trước đưa vào sản xuất Giống bảo quản tủ lạnh sâu hay giống sản xuất, phải kiểm tra chất lượng trước sử dụng, chủng giống có suất cao thường chọn lọc phương pháp gây đột biến hay kỹ thuật gen, dễ bị thối hóa (hay gọi lại giống) Bước Hoạt hóa giống Giống thường bảo quản ống nghiệm tủ lạnh sâu hay tủ lạnh, trước sử dụng phải lấy ống từ từ, tránh gây sốc nhiệt, ảnh hưởng đến chất lượng giống Sau đó, giống cấy truyền sang mơi trường thạch nghiêng ống nghiệm (mỗi loại giống có thành phần môi trường điều kiện nuôi cấy khác lựa chọn) Giống nuôi tủ ấm nhiệt độ thích hợp giống mọc tốt lấy ra, dùng que cấy cấy giống vào bình tam giác có mơi trường lên men (thường tỷ lệ mơi trường 1/10 thể tích bình) ni máy lắc nhiệt độ phù hợp Thời gian nuôi phù thuộc vào loại vi sinh vật (đối với vi khuẩn 24-48 giờ, nấm men, nấm sợi 48-72 giờ, xạ khuẩn 96-120 giờ) sau lấy kiểm tra chất lượng giống, trước đưa vào sản xuất Bước Nhân giống Để đảm bảo chất lượng giống tốt cho trình lên men giống phải có khả sinh trưởng phát triển tốt (cho sinh khối nhiều) thời gian cấy giống vào bình lên men giống sinh trưởng, phát triển pha tăng tốc (pha log) tốt Thiết bị q trình thao tác phải đảm bảo vơ trùng Với bình nhân giống nhỏ (nhân giống cấp 1) chuẩn bị mơi trường cho vào bình, sau khử trùng nồi áp suất, cịn bình nhân giống lớn (cấp cấp 3) khử trùng nồi lên men Phải kiểm tra chất lượng giống (đặc biệt nhiễm tạp) công đoạn trước cấy sang bình nhân giống 170 Đánh giá hiệu suất chất lượng trình lên men cấp độ sản xuất thử nghiệm (pillot) Trên sở lựa chọn môi trường tối ưu điều kiện thích hợp để lên men sản xuất chế phẩm công nghệ sinh học cấp độ lên men: Trong bình tam giác, thiết bị lên men nhỏ quy mơ phịng thí nghiệm để đánh giá hiệu suất chủng sản xuất đạt yêu cầu chuyển sang quy mô sản xuất thứ nghiệm Thông thường quy mơ sản xuất thử nghiệm, q trình lên men thực thiết bị lên men 50 đến 500lit gần với điều kiện lên men quy mô sản xuất Các tiêu cần đánh giá: - Động thái sinh trưởng phát triển sinh tổng hợp sản phẩm biến đổi: Sinh khối, oxy hòa tan, pH môi trường lên men, chất dinh dưỡng (đường khử), lượng sản phẩm hình thành chủng sản xuất, qua giám sát kiểm tra thông số cơng nghệ khẳng định được: Q trình lên men có tuân thủ theo quy luật lên men loại sản phẩm không (như thay đổi pH, khả sử dụng chất dinh dưỡng, hàm lượng sinh khối sản phẩm hình thành) - Thời gian dừng lên men để chuyển sang giai đoạn thu hồi - Kiểm tra trạng thái vô trùng môi trường hệ thống thiết bị trình lên men - Hoạt tính chất lượng sản phẩm trình lên men có phù hợp với mục đích sản xuất chế phẩm Nếu trình thử nghiệm đạt yêu cầu quy trình sản xuất quy mơ cơng nghiệp, xây dựng quy trình cơng nghệ lên men sản xuất sơ đồ khối mô tả chi tiết cho trình sản xuất cấp độ công nghiệp Chủ đề ôn tập chương Đặc điểm chung vấn đề nhiễm tạp lên men sản xuất cơng nghiệp Vì việc khử trùng đồng sản xuất lên men công nghiệp lại quan trọng? Nguyên nhân nhiễm tạp công nghiệp lên men Những đặc điểm ảnh hưởng nhiễm tạp lên trình lên men sản xuất Các giải pháp hạn chế nhiễm tạp trình lên men sản xuất cơng nghiệp Vì phải kiểm tra đồng hệ thống thiết bị lên men? Vì phải mở rộng quy mơ sản xuất sản phẩm lên men cơng nghiệp Vì phải đánh giá hiệu trình lên men sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học Hiệu kỹ thuật gì? Vì phải đánh giá hiệu kỹ thuật trình lên men 10 Hiệu kinh tế gì? Vì phải đánh giá hiệu kinh tế trình lên men 11 Sự khác giống hiệu ky thuật hiệu kinh tế trình lên men sản xuất 12 Đánh giá hiệu kinh tế q trình sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học 13 Sự cần thiết phải thiết kế trình lên men để phát triển sản phẩm lên men 171 14 Vì lựa chọn chủng sản xuất phải phù hợp với phương pháp lên men 15 Vì lựa chọn chủng sản xuất phải phù hợp với mục tiêu thu hồi sản phẩm sau lên men 16 Các khâu cần chuẩn bị cho trình lên men sản phẩm cơng nghiệp sinh học 17 Vì phải đánh giá hiệu suất chất lượng trình lên men cấp độ sản xuất thử nghiệm (pillot) trước đưa vào sản xuất cấp độ công nghiệp? Mục tiêu người học cần đạt Đặc điểm chung vấn đề nhiễm tạp lên men sản xuất công nghiệp, nguyên nhân nhiễm tạp công nghệ lên men Những đặc điểm ảnh hưởng nhiễm tạp lên trình lên men sản xuất Phải khử trùng đồng môi trường, hệ thống trang thiết bị thiết bị phụ trợ sản xuất lên men công nghiệp giải pháp hạn chế nhiễm tạp trình lên men sản xuất công nghiệp phải kiểm tra đồng hệ thống thiết bị lên men Để mở rộng quy mô sản xuất sản phẩm lên men cơng nghiệp phải có nhu cầu phát triển, đáp ứng yêu cầu thị trường Do phải đánh giá hiệu sản xuất thông qua đánh giá hiệu kỹ thuật hiệu kinh tế trình lên men Đánh giá hiệu kinh tế q trình sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học phải dựa vào quy mô mở rộng sản xuất đánh giá hiệu kỹ thuật, khả nâng cao hiệu kỹ thuật để phát triển hồn thiện cơng nghệ để đạt hiệu sản xuất Các bước đánh giá hiệu kinh tế q trình sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học Xác định cần thiết phải thiết kế trình lên men để phát triển sản phẩm lên men mới: Lựa chọn chủng sản xuất phải phù hợp với phương pháp lên men mục tiêu thu hồi sản phẩm sau lên men; khâu cần chuẩn bị cho trình lên men sản phẩm công nghiệp sinh học hiệu suất chất lượng trình lên men cấp độ sản xuất thử nghiệm (pillot) trước đưa vào sản xuất cấp độ công nghiệp Tài liệu đọc bổ trợ Lương Đức Phẩm (2012) Giáo trình Cơng nghệ lên men, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Hans-Peter Meyer, Wolfgang Minas, Diego Schmidhalter (2017) Industrial-Scale Fermentation, in “Industrial Biotechnology: Products and Processes” edited by Christoph Wittmann & James C Liao, Wiley-VCH Verlag Musaalbakri Abdul Manan, Colin Webb (2017) Design aspects of solid state fermentation as applied to microbial bioprocessing, Journal of Applied Biotechnology & Bioengineering, Volume Issue p 511-532 Rehm H.J et al (1991) Biotechnology (multi-volumes) Volume : Measuring, Modelling and Control; Weiheim-Newyork-Basel-Cambridge-Tokyo CÁC THUẬT NGỮ CHÍNH VÀ KHÁI NIỆM 172 An toàn sinh học (Biosafety) việc ngăn ngừa tồn vẹn sinh học quy mơ lớn, tập trung vào sinh thái sức khỏe người Các chủng giống sản xuất công nghệ lên men phải đánh giá mức độ an toàn sinh học theo nhóm rủi ro (Theo Liên minh Châu Âu phân loại tác nhân lây nhiễm theo nhóm rủi ro (chỉ thị 93/88/EEC, tháng 10/1993) An toàn thực phẩm (Food safety): Tất điều kiện biện pháp cần thiết để đảm bảo tính an tồn phù hợp thực phẩm tất giai đoạn chuỗi thực phẩm an toàn thực phẩm “đảm bảo thực phẩm không gây hại cho người tiêu dùng chế biến / ăn theo mục đích sử dụng Cơng nghệ lên men (fermentation technology): Chỉ từ công nghệ sinh học hình thành người ta coi ngành công nghệ vi sinh vật, mà điều kiện thuận lợi vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao điều kiện ni cấy vi sinh vật Về chất công nghệ sinh học vi sinh vật cơng nghệ lên men Cơ chất (substrate): Là phân tử bị phân hủy trình lên men Chất trao đổi sơ cấp (Primery metabolites), hợp chất hữu trình trao đổi chất trực tiếp tham gia vào trình sinh trưởng, phát triển sinh sản bình thường vi sinh vật Chất trao đổi thứ cấp (Secondary metabolites), hợp chất hữu q trình trao đổi chất khơng trực tiếp tham gia vào trình sinh trưởng, phát triển sinh sản bình thường vi sinh vật thiếu vắng chất chuyển hóa thứ cấp không dẫn đến tử vong lập tức, mà làm suy giảm khả sống sót, khả sinh sản hình thái sinh vật thời gian dài, khơng có thay đổi đáng kể Chi phí hoạt động (Operating expense-OPEX): Chi phí mà doanh nghiệp phải chịu thông qua hoạt động kinh doanh thông thường, bao gồm tiền thuê nhà, thiết bị, chi phí tồn kho, tiếp thị, lương nhân viên, biến phí cấp bậc quĩ phân bổ cho nghiên cứu phát triển Chi phí vốn đầu tư (Capital expenditure-CAPEX) bao gồm tất khoản tiền cần thiết để xây dựng khởi động sản sản xuất Việc đầu tư vào tài sản sản xuất bị ảnh hưởng nhiều chất sản phẩm Enzyme: Chất xúc tác sinh học cấu tạo từ protein Hệ thống HVAC hệ thống sưởi ấm, thơng gió điều hồ khơng khí, gọi chung hệ thống điều hịa khơng khí Hiệu kinh tế (Economic efficiency): Hiệu kinh tế việc sử dụng nguồn lực để tối đa hóa việc sản xuất hàng hóa dịch vụ Một hệ thống kinh tế cho hiệu hệ thống kinh tế khác (một cách tương đối), cung cấp nhiều hàng hóa dịch vụ cho xã hội mà không cần sử dụng nhiều nguồn lực Hiệu kỹ thuật (Technical efficiency): hiệu tập hợp yếu tố đầu vào sử dụng để sản xuất đầu liên quan đến hiệu sản xuất Hiệu sản xuất liên quan đến việc sản xuất điểm thấp đường cong đồ thị chi phí ngắn hạn trung bình Vì vậy, hiệu sản xuất địi hỏi phải có hiệu kỹ thuật Hiệu sản xuất (Production efficiency): mức độ kinh tế mà kinh tế khơng sản xuất thêm loại hàng hóa không làm giảm mức độ sản xuất sản 173 phẩm khác Sản xuất hiệu đạt sản phẩm tạo với tổng chi phí trung bình thấp Hồn vốn đầu tư (Return on investment-ROI) thước đo hiệu suất sử dụng để đánh giá hiệu lợi nhuận khoản đầu tư so sánh hiệu số khoản đầu tư khác ROI cố gắng đo lường trực tiếp số lợi nhuận khoản đầu tư cụ thể, so với chi phí đầu tư Làm chỗ (CIP) Khử trùng chỗ (SIP) hệ thống thiết kế để làm khử trùng tự động mà không cần tháo dỡ lắp ráp Thiết bị CIP SIP di động cố định để làm vệ sinh khử trùng Lên men (fermentation): Trong sinh học, phản ứng trao đổi chất cần thiết để tạo lượng tế bào sống (chủ yếu vi sinh vật); công nghiệp, q trình cơng nghiệp lớn dựa sinh vật sống gọi trình lên men Lên men bề mặt (surface fermentation): Lên men bề mặt môi trường lỏng (như sản xuất enzym amylase, axit citric từ nấm Aspergillus niger) hay mơi trường xốp (hay cịn goi lên men trạng thái rắn) sản xuất enzym, chất kháng sinh, chất kích thích sinh trưởng oxy cung cấp trực tiếp từ khơng khí Lên men cơng nghiệp (Industrial fermentation): Việc sử dụng có chủ đích q trình lên men vi sinh vật tế bào động vật thực vật, để tạo sản phẩm có ích cho người Q trình lên men thực thiết bị lên men bình phản ứng sinh học lớn, thường tích vài nghìn lít Lên men cơng nghiệp phần nhiều ngành công nghiệp, bao gồm vi sinh, thực phẩm, dược phẩm, cơng nghệ sinh học hóa chất Lên men chìm (Submerged fermentation): Các vi sinh vật phát triển môi trường dịch thể, vi sinh vật kỵ khí người ta khơng cấp khí, cịn vi sinh vật hiếu khí người ta thường cấp khí để cung cấp oxy cho vi sinh vật phát triển Tuỳ theo nhu cầu oxy loại vi sinh vật mà người ta sử dụng phương pháp khác để tăng lượng oxy hoà tan mơi trường: tăng cường lượng khí cấp, sử dụng cánh khuấy với tốc độ khác nhau, dùng cánh chắn làm tan bọt khí lớn… Lên men hiếu khí (Aerobic fermentation): trình lên men thực với có mặt oxy Q trình lên men ni cấy bề mặt ni cấy tĩnh chìm Lên men kỵ khí (Anaerobic fermentation) trình lên men thực điều kiện khơng có oxy, vi sinh vật kỵ khí có loại: kỵ khí bắt buộc khơng thể chịu oxy (như vi khuẩn Clostridium sp hoạt động điều kiện thiếu oxy) vi sinh vật kỵ khí ưa thích: hoạt động điều kiện thiếu oxy tạo lượng sản phẩm mong muốn tối ưu (như vi khuẩn axit lactic chịu lượng nhỏ oxy hay nấm men yêu cầu sục khí ban đầu để tạo sản lượng tế bào cao trước tạo điều kiện lên men kỵ khí) Lên men liên tục (Continuous fermentation): Môi trường bổ sung liên tục vào thiết bị lên men môi trường lên men liên tục lấy với tốc độ Có loại lên men liên tục: Chemostat hệ thống trì thể tích lên men khơng thay đổi, cách giữ cho lưu lượng dịng mơi trường vào dịng mơi trường lên men (và khơng đổi), hàm lượng sinh khối khơ, sản phẩm, chất thay đổi theo thời gian Turbidiostat hệ thống trì hàm lượng sinh khối khơ khơng thay đổi, nghĩa để 174 trì X giá trị xác định, ta cần thiết bị đo X hệ thống điều khiển tự động lưu lượng phối chế thành phần cho dòng vào Lên men sinh tổng hợp (biosynthetic fermentation): Quá trình lên men sử dụng vi sinh vật hiếu khí, tế bào động vật thực vật lên men nồi lên men nồi phản ứng sinh học có sục khí để sinh tổng hợp sản phẩm mong muốn Lên men truyền thống (traditional fermentaion): Quá trình lên men tạo sản phẩm lên men truyền thống nhờ vi sinh vật lên men (fermentative microorganisms) điều kiện kỵ khí, sản xuất thủ cơng, mang sắc thái kinh nghiệm sắc riêng dân tộc Lên men trạng thái rắn (solid state fermentation, SSF) gọi lên men xốp, LMX): phát triển vi sinh vật vật liệu rắn ẩm gần khơng có nước tự Đơng khơ (Freeze-drying): Quá trình mà nước lấy khỏi mẫu mẫu trạng thái lạnh sâu Thiết bị đông khô hút nước cuối mẫu làm khơ đến mức định Q trình lên men (fermentation process): Q trình ni cấy vi sinh vật để tạo sinh khối (tăng sinh) thúc đẩy vi sinh vật tạo sản phẩm trao đổi chất Quá trình thu hồi (Downstream processes): Quá trình tách chiết tinh chế sản phẩm sinh học sau lên men quy mơ sản xuất mục đích sử dụng khác nhau, bao gồm việc tái chế thành phần tận dụng xử lý chất thải thích hợp Sinh khối (Biomass): Khối lượng sinh vật; theo truyền thống, thuật ngữ đề cập đến sinh khối thực vật vi sinh vật Sinh khối vi sinh vật (Microbial biomass), khối lượng tế bào vi sinh vật xác định trọng lượng (ướt khơ) đơn vị diện tích thể tích nhóm vi sinh vật mơi trường dinh dưỡng điều kiện nuôi cấy phù hợp Thiết bị đo đạc kiểm sốt (Instrumentation and control), cơng cụ phụ trợ lắp đặt thiết bị lên men để đo điều chỉnh thơng số q trình lên men vi sinh vật Các thông số quan tâm kiểm sốt q trình lên men: Thời gian, nhiệt độ bình, pH, nồng độ oxy hịa tan, áp suất nồi lên men, tốc độ khuấy, kiểm soát bọt, lượng chất dinh dưỡng cung cấp bổ sung (fed- bacth), nồng độ chất, nồng độ sản phẩm mức chất lỏng nồi (đối với lên men liên tục) Thiết bị lên men (fermenter): Thiết bị phản ứng sinh học truyền thống (bình có khuấy khơng khuấy) nơi diễn trình lên men tế bào Thiết bị lên men vận hành hệ thống nuôi cấy liên tục theo mẻ Thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor), hệ thống khép kín có kích thước khác từ quy mơ phịng thí nghiệm nhỏ (năm đến mười mililít) đến quy mơ cơng nghiệp lớn (hơn 500.000 lít), để tế bào phát triển với mục đích thực hành điều kiện kiểm soát Thiết bị phản ứng sinh học dạng thùng quay (Rotating drum bioreactors): Thiết bị phản ứng sinh học dạng thùng quay hình trụ nằm ngang có đảo trộn xen kẽ, sục khí khơng bắt buộc cưỡng hoạt động chế độ liên tục bán liên tục Thùng quay chứa khối chất, nhiên khối ủ lên men đầy tạo độ thống để chuyển hóa 175 oxy carbon dioxide tốt việc kiểm soát nhiệt độ khó khăn Cơ chất rắn trộn khác cho vi sinh vật khác Thiết bị phản ứng sinh học khay nuôi (Tray bioreactor): Khay đục lỗ lưới để giữ chất rắn, cho phép thông khí bình thường vào khối ủ Loại hệ thống chứa lượng chất rắn giới hạn lên men, để lớp mỏng mơi trường xốp để tránh nhiệt xảy trì điều kiện hiếu khí Độ dày lớp mơi trường, diện tích bề mặt khay nhiệt độ buồng ni ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng, phát triển vi sinh vật, cải thiện trao đổi nhiệt truyền khí Thiết bị phản ứng sinh học khối ủ (Packed-bed bioreactor): Thùng kín chứa khối chất lên men, phía có nắp đậy đế thùng đục lỗ qua sục khí cưỡng vào thùng, kiểm sốt quy trình lên men sử dụng máy sục khơng khí ẩm cưỡng giúp cải thiện độ ẩm lớp lên men kiểm soát nhiệt độ Thiết bị phản ứng sinh học tầng sôi (Fluidized-bed bioreactor): xây dựng từ buồng thẳng đứng với đế đục lỗ sục khí cưỡng áp dụng khoang với tốc độ đủ để làm loãng hạt chất rắn gây trộn lẫn Thiết bị phản ứng sinh học có khuấy (bộ ngắt cục), phá vỡ chất kết tụ hình thành lắng xuống đáy Khoang nuôi cấy mở rộng cần có đủ khoảng trống để hỗn hợp hạt rắn khí hoạt động giống chất lỏng Thiết bị phản ứng sinh học tầng sơi pha trộn tốt pha khí, pha rắn chất lỏng nước bay làm mát sinh khối Thiết kế thiết bị lên men (Design of a fermenter) lựa chọn trang thiết bị đáp ứng trình lên men sản xuất sản phẩm sinh học Thiết kế thiết bị lên men phụ thuộc vào phương thức hoạt động thiết bị lên men, vi sinh vật sản xuất, điều kiện hoạt động tối ưu để hình thành sản phẩm lên men, giá trị quy mô sản xuất sản phẩm Các thơng số tính tốn thiết kế thiết bị lên men là: tốc độ khuấy, cấp khí nén vơ trùng, cấp nhiệt làm nóng nước làm lạnh, cung cấp bổ sung chất dinh dưỡng, bơm axit bazơ để điều chỉnh pH, khả phá bọt học hóa học, đảm bảo độ vơ trùng suốt trình lên men (hệ thống van chặn, gioăng đệm, lấy mẫu …) Thực hành sản xuất tốt (GMP) tiêu chuẩn thực hành sản xuất tốt nhằm đảm bảo điều kiện vệ sinh an toàn cấp phép sản xuất, buôn bán sản phẩm lên men GMP kiểm sốt tất khía cạnh trình sản xuất từ ​ ​ nguyên vật liệu, sở, trang thiết bị sản xuất đến nhân viên làm việc sở 176 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty (1998) Vi sinh vật học, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Thành Đạt (2002) Giáo trình vi sinh vật học, tập 2, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Thị Hiền, Lê Gia Hy, Quản Lê Hà, Từ Việt Phú (2012) Công nghệ sản xuất enzym, protein ứng dụng Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Lê Gia Hy, Đinh Thị Thu Lê (2014) Giáo trình An tồn sinh học, Nhà xuất Thông tin Truyền thông Lê Gia Hy, Khuất Hữu Thanh (2010) Cơ sở Công nghệ vi sinh vật ứng dụng, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Lê Gia Hy (2012) Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật xử lý chất thải, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Lê Gia Hy (2013) Công nghệ sản xuất kháng sinh, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Lương Đức Phẩm (2012) Giáo trình Cơng nghệ lên men Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội TIẾNG ANH Bhargav S et al (2008) Solid-state Fermentation: An Overview, Chem Biochem 10 Carta, G & Jungbauer, A (2010) Downstream processing of biotechnology products In: Protein chromatography: Process development and scale-up Wiley-VCH, Weinheim, pp 341–346 11 Dashmeet (2018) Screening of Microorganisms: Primary and Secondary Techniques| Industrial Biotechnology Bio Technology https://www.biotechnologynotes.com 12 El-Mansi EMT et al (2012) Fermentation Microbiology and Biotechnology (Third Edition), CRC Press Taylor & Francis Group 13 European Medicines Agency: Guidance on evaluation of stability data, 2003 (CPMP/ICH/420/02) 14 Glazer, Alexander N., & Hiroshi Nikaido (2007) Microbial Biotechnology: Fundamentals of Applied Microbiology 2d ed New York: Cambridge University Press 15 Hans-Peter Meyer, Wolfgang Minas, Diego Schmidhalter (2017) Industrial-Scale Fermentation, in “Industrial Biotechnology: Products and Processes” edited by Christoph Wittmann & James C Liao, Wiley-VCH Verlag 16 Humphrey A E, Lee S E (1992) Industrial Fermentation: Principles, Processes, and Products Riegel's Handbook of Industrial Chemistry 17 Jai S Ghosh (2006) Solid State Fermentation and Food Processing: A Short Review J Nutr Food Sci 6: 453 doi: 10.4172/2155-9600.1000453 177 18 James Blackwell (2017) Troubleshooting Bacterial Contamination In Bioreactors, BioProcess online https://www.bioprocessonline.com/doc/troubleshooting-bacterialcontamination-in-bioreactors-0001 19 Kalyanpur, M (2002) Downstream processing in the biotechnology industry Molecular Biotechnology 22: 87-98 20 Manann MA & Webb C (2017) Design aspects of solid state fermentation as applied to microbial bioprocessing, Journal of Applied Biotechnology & Bioengineering, Volume Issue p 511-532 21 Paulin M Doran (1995) Bioprocess Engineering Principles, Elsevier Science & Technology 22 Peter F Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J Hall (2003) Principles of Fermentation Technology (Second Edition), Butterworth-Heinemann 23 Ratanapongleka K (2010) Recovery of biological products in aqueous two phase systems International Journal of Chemical Engineering and Applications Pp 192-198 24 Rehm H.J et al (1991) Biotechnology (multi-volumes) - Volume : Measuring, Modelling and Control; Weiheim-Newyork-Basel-Cambridge-Tokyo 25 Sergei A Markov (2012) Chapter: Industrial fermentation (In book: Applied Science Editors: Donald R Franceschetti, Publisher: EBSCO (pp.1037-1042) 26 Stanbury PF, Whiitaker A, Hall SJ (1999) Principles of Fermentation Technology (Second ed.), Butterworth-Heinemann 27 Taherzadeh Madhavan & Nampoothiri Christian (2015) Industrial Biorefineries and White Biotechnology, Elsevier B.V 28 Varsha B Kharobe (2018) Advantages and disadvantages of traditional fermentation of dairy products, International Journal of Recent Trends in Science And Technology, P-ISSN 2277-2812 E-ISSN 2249-8109 Special Issue, ICRAFHN 2018 pp 52-55 29 Varsha B Kharobe (2018) Advantages and disadvantages of traditional fermentation of dairy products, International Journal of Recent Trends in Science And Technology, P-ISSN 2277-2812 E-ISSN 2249-8109 Special Issue, ICRAFHN 2018 pp 52-55 30 Wesselingh JA & J Krijgsman (2013) Downstream Processing in Biotechnology, Delft Academic Press 178 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ LÊN MEN 1.1 Khái niệm công nghệ lên men 1.1.1 Công nghệ lên men 1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển công nghệ lên men ứng dụng 1.1.3 Đặc điểm trình lên men 13 1.1.4 Khái niệm lên men cơng nghiệp 14 1.2 Mục đích trình lên men 15 1.2.1 Đảm bảo yêu cầu chất lượng sản phẩm lên men 15 1.2.2 Ứng dụng trình lên men 16 1.3 Phân loại trình lên men 17 1.3.1 Cơ sở phân loại trình lên men 17 1.3.1 Phân loại trính lên men theo tính chất lý 19 1.3.2 Phân loại trình lên men theo nguyên lý vận hành 20 1.2.3 Phân loại trình lên men theo chế điều chỉnh động học 20 1.4 Các cơng đoạn q trình lên men 21 1.4.1 Sự cần thiết thiết kế trình lên men 21 1.4.2 Chuẩn bị lên men 23 1.4.2 Vận hành trình lên men 25 1.4.3 Xử lý dịch lên men thu sản phẩm 28 Chủ đề ôn tập chương 33 Chương GIỐNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIỐNG PHỤC VỤ SẢN XUẤT 2.1 Chủng công nghiệp yêu cầu chất lượng chủng công nghiệp 35 35 2.1.1 Khái niệm chủng công nghiệp 35 2.1.2 Yêu cầu chất lượng chủng công nghiệp 42 2.2 Quy trình tuyển chọn, tạo chủng nâng cao hoạt tính chủng công nghiệp 43 2.2.1 Các giai đoạn tuyển chọn chủng công nghiệp 43 2.2.2 Giải pháp tạo chủng có hoạt tính cao 48 2.3 Kỹ thuật bảo quản giống vi sinh vật 57 2.3.1 Cơ sở bảo quản giống vi sinh vật 57 2.3.2 Các kỹ thuật bảo quản truyền thống 57 179 2.3.3 Các kỹ thuật bảo quản 58 2.3.4 Kiểm tra chất lượng chủng giống bảo quản 60 2.4 Nhân giống cấp giống cho sản xuất 62 2.4.1 Mục đích yêu cầu chất lượng giống sản xuất 62 2.4.2 Các giai đoạn nhân giống để cấp giống cho sản xuất 63 Chủ đề ôn tập chương 63 Chương CHUẨN BỊ MÔI TRƯỜNG VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÊN MEN 3.1 Yêu cầu môi trường lên men sản xuất 65 65 3.1.1 Đảm bảo cho tồn phát triển 65 3.1.2 Phù hợp với mục tiêu công nghệ 69 3.2 Chế tạo trùng môi trường 72 3.2.1 Chế tạo môi trường 72 3.2.2 Các phương pháp khử trùng môi trường 74 3.3 Hệ thống thiết bị khử khuẩn đồng hệ thống thiết bị lên men 76 3.3.1 Hệ thống thiết bị lên men công nghiệp 76 3.2.2 Khử trùng đồng hệ thống thiết bị 88 Chủ đề ôn tập chương 89 Chương CƠ SỞ KỸ THUẬT LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 4.1 Đặc điểm chung kỹ thuật lên men công nghiệp 91 91 4.1.1 Lên men công nghiệp 91 4.1.2 Lên men hiếu khí nguyên liệu rắn-xốp 96 4.1.3 Lên men chìm có sục khí khuấy trộn 106 4.1.4 Lên men liên tục 115 4.2 Các công đoạn kỹ thuật lên men mơi trường rắn – xốp 120 4.2.1 Các cơng đoạn 120 4.2.2 Chuẩn bị giống sản xuất cho lên men 123 4.2.3 Xử lý nguyên liệu chuẩn bị môi trường lên men 125 4.2.3 Vận hành trình lên men rắn – xốp 128 4.3 Các cơng đoạn kỹ thuật lên men chìm 130 4.3.1 Các cơng đoạn lên men sản xuất mức độ công nghiệp 1301 4.3.2 Chuẩn bị giống sản xuất 134 4.3.3 Khử trùng môi trường, khử trùng thiết bị lên men thiết bị phụ trợ 136 4.3.4 Giám sát kiểm tra thông số công nghệ 138 Chủ đề ôn tập chương 143 180 Chương MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNG TRONG SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP 5.1 Nhiễm tạp sản xuất công nghiệp 145 145 5.1.1 Vấn đề nhiễm tạp sản xuất công nghiệp 145 5.1.2 Đặc điểm ảnh hưởng nhiễm tạp 148 5.1.3 Giải pháp hạn chế ảnh hưởng nhiễm tạp 149 5.2 Vấn đề mở rộng quy mô sản xuất 153 5.2.1 Nhu cầu mở rộng phát triển sản xuất 153 5.2.2 Yêu cầu kỹ thuật công nghệ liên quan đến mở rộng quy mô sản xuất 155 5.3 Xây dựng phương án phát triển sản phẩm 166 5.3.1 Sự cần thiết thiết kế trình lên men 168 5.3.2 Chủng sản xuất phải phù hợp với phương pháp lên men mục tiêu thu hồi sản phẩm sau lên men 167 5.3.3 Chuẩn bị điều kiện thiết bị lên men 169 Chủ đề ôn tập chương 171 CÁC THUẬT NGỮ CHÍNH VÀ KHÁI NIỆM 173 TÀI LIỆU THAM KHẢO 177 181 ... vi sinh công nghiệp công nghệ vi sinh, công nghệ vi sinh công nghiệp; khác công nghệ lên men truyền thống công nghệ lên men đại 33 Sự khác khái niệm lên men công nghiệp công nghệ lên men; mục... năm 2021 Tác giả Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ LÊN MEN 1.1 Khái niệm công nghệ lên men 1.1.1 Công nghệ lên men 1.1.1.1 Lên men Lên men công nghệ lâu đời tất q trình cơng nghệ sinh học Theo tiếng... niệm lên men công nghiệp Sự khác lên men công nghiệp công nghệ lên men Mục đích q trình lên men hướng ứng dụng sản xuất đời sống Phân loại trình lên men dựa vào tiêu chuẩn gì? Trình bày rõ chế