CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1 Sơ lược lịch sử về kỹ thuật quá trình sinh học Sự phát triển của kỹ thuật các quá trình sinh học được chia thành 4 giai đoạn chính Giai đoạn thứ nhất (Giai đoạn[.]
CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Sơ lược lịch sử kỹ thuật trình sinh học Sự phát triển kỹ thuật trình sinh học chia thành giai đoạn chính: Giai đoạn thứ nhất: (Giai đoạn trước Pasteur) Trong văn tự giữ cho thấy khoảng 3.000 năm trước công nguyên, hoạt động sản xuất bia phát triển Ở phương Đông phương Tây, người biết cách ủ rượu từ nho từ loại trái cây, chưng cất rượu, dùng mốc để làm tương, lấy cặn men rượu vang bia ủ bột để làm bánh mì, sản xuất tương, nước mắm, muối chua rau quả, ủ chua thức ăn cho gia xúc …… Tuy nhiên, thời kỳ coi thời kỳ hồng hoang vi sinh vật, người thực chưa biết giới vsv vơ nhỏ bé Đến thể kỷ thứ 19, L.Pausteur tìm nguyên nhân lên men loạt cơng trình khoa học vsv học lịch sử ngành khoa học bước vào thời kỳ thứ Giai đoạn thứ hai Năm 1857, L.Pausteur công bố cơng trình lên men rượu Ơng nấm men tế bào sẵn có tự nhiên, vỏ trái chín, điều kiện có ơxy chúng hơ hấp bình thường phát triển sinh sản, điều kiện khơng có ơxy chúng chuyển sang lên men L.Pausteur định nghĩa “Qúa trình lên men hoạt động nấm men khơng có khơng khí” Tổng kết phát minh L.Pausteur phát biểu nguyên ly tiếng: “Lên men sống khơng có ơxy” Quan niệm lên men L.Pausteur áp dụng cho trình lên men cổ điển như: lên men rượu, lên men glyxerin, lên men axeton-butanol – hay gọi lên men kỵ khí Năm 1886, E.C Hansen sử dụng chủng nấm men khiết sản xuất bia Đây xem bước khởi đầu ngành cơng nghiệp lên men hay công nghiệp vi sinh vật Năm 1898, E.Buchner phát minh dịch chiết nấm men có khả lên men rượu, tiền đề cho nghiên cứu q trình hóa sinh enzyme phát triển Như vậy, giai đoạn thứ việc sử dụng hoạt tính vsv đánh dấu phát minh khoa học dựa sở trình lên men rượu Năm 1929, A Fleming tìm chất kháng sinh pelixilin mốc màu xanh lục Penicilium notatum (a) (b) (c) (d) Hình 1.1 Các nhà vi sinh vật học cơng nghiệp tiền bối (a) Louis Pasteur (1822 – 1895); (b) – Emil Christian Hansen (1842 – 1909); (c) Eduard Buchner (1860- 1917) ; (d) - Alexander Fleming(1881-1955) Giai đoạn thứ ba Những năm 40 kỷ 20, H.W.Florey E.Chain (Đại học Oxford – Anh) tìm phương pháp lên men tinh chế penixilin Đó phương pháp lên men hiếu khí với chủng mốc khiết, q trình ni cấy cần phải sục khí mà giữ vô trùng Nhờ hỗ trợ kỹ thuật hãng dược phẩm Merk, Pfizer Skibb, phương pháp sản xuất kháng sinh nhờ vsv hoàn thiện Ngành công nghiệp lên men trở thành ngành công nghiệp đại, cung cấp sản phẩm quý nhờ vi sinh vật Giai đoạn thứ tư Từ kỷ 20 đến nay, ngành công nghệ lên men phát triển đại phần quan trọng công nghệ sinh học, tạo sản phẩm phong phú góp phần giải khó khăn kinh tế, xã hội tồn giới Cơng nghệ sinh học phát triển ngày chủ yếu dựa ba công nghệ là: - Cơng nghệ vi sinh - Cơng nghệ tế bào (nuôi cấy mô tế bào ) - Công nghệ sinh học đại, tức công nghệ gen 1.2 Định nghĩa, ý nghĩa phạm vi ứng dụng kỹ thuật sinh học công nghiệp 1.2.1 Định nghĩa “Quá trình sinh học trình sản xuất mà nhân tố tham gia trực tiếp định tế bào sống (vi sinh vật, thực vật động vật) Mỗi tế bào sống thể sinh vật hoạt động lĩnh vực sản xuất xem lò phản ứng nhỏ” Khi tiến hành trình sinh học (bioprocessing) quy mô lớn cần lưu ý: - Phải thu chất xúc tác sinh học tốt (vi sinh vật, tế bào động vật, tế bào thực vật, enzyme) cho trình mong muốn - Tạo mơi trường tốt cho xúc tác cách thiết kế thiết bị lên men (bioreactor/fermenter) thích hợp cho hoạt động phương thức tối ưu - Phân tách sản phẩm mong muốn từ hỗn hợp phản ứng phương thức kinh tế Hình Một trình sinh học đặc trưng Quá trình sinh học Các ứng dụng cơng nghiệp q trình sinh học sử dụng tế bào sống thành phần chúng để thực thay đổi vật lý hóa học So với q trình hóa học truyền thống, q trình sinh học có ưu điểm nhược điểm sau: Các ưu điểm - Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng: Điều kiện phản ứng cho q trình sinh học nhẹ nhàngơn hịa Đặc trưng nhiệt độ phịng, áp suất khí pH mơi trường trung tính Kết quả, hoạt động nguy hiểm điều kiện sản xuất phức tạp so với q trình hóa học đặc biệt - Tính đặc hiệu: Một chất xúc tác enzyme có tính đặc hiệu cao xúc tác phản ứng hóa học Sự đa dạng enzyme có xúc tác cho phạm vi rộng phản ứng khác - Tính hiệu lực: Tốc độ phản ứng xúc tác enzyme thường nhanh nhiều so với phản ứng thực nhờ chất xúc tác sinh học Chỉ lượng nhỏ enzyme yêu cầu đủ để sản xuất hiệu mong muốn Các nhược điểm - Các hỗn hợp sản phẩm phức tạp: Trong trường hợp nuôi cấy tế bào (vi sinh vật, thực vật động vật) Các phản ứng đa enzyme xảy chuỗi song song, hỗn hợp sản phẩm cuối chứa khối lượng tế bào, nhiều sản phẩm trao đổi chất phụ, phần lại chất dinh dưỡng ban đầu Khối lượng tế bào chứa thành phần khác tế bào - Hàm lượng sản phẩm thu thấp: Các thành phần có giá trị thương mại sản xuất với lượng nhỏ môi trường nước nên phân tách chúng đắt tiền Bởi sản phẩm trình sinh học thường mẫn cảm với nhiệt, kỹ thuật phân tách truyền thống sử dụng mà phải phát triển kỹ thuật phân tách cho mục đích sản xuất quy mơ lớn - Sự nhiễm bẩn: Hệ thống lên men dễ dàng bị nhiễm bẩn, nhiều vi khuẩn nấm mốc sinh trưởng mạnh hầu hết mơi trường ni cấy Vấn đề trở nên khó khăn nuôi cấy tế bào động vật thực vật chúng cần thời gian sinh trưởng dài ngày tốc độ sinh trưởng chúng chậm nhiều so với tốc độ sinh trưởng vi khuẩn nấm mốc môi trường nhiễm bẩn - Khuynh hướng hay biến đổi: Các tế bào có khuynh hướng đột biến thay đổi mơi trường vài đặc điểm gây thiệt hại cho thành cơng q trình sản xuất Các enzyme tương đối mẫn cảm phân tử khơng ổn định địi hỏi cẩn thận sử dụng chúng 1.2.2 Ứng dụng kỹ thuật sinh học công nghệ thực phẩm Việc ứng dụng vi sinh vật sản phẩm vi sinh vật vào chế biến thực phẩm hay làm thức ăn cơng trình người lãnh vực Từ lâu người ta biết lợi dụng vi sinh vật làm sữa chua, làm nở bánh mì từ nấm men, muối dưa, nấu rượu, làm dấm, nấu bia…Ngày việc ứng dụng vi sinh vật tinh vi hoàn thiện Các sản phẩm uống nhờ vi sinh vật chiếm vị trí hàng đầu (như: bia, rượu vang, đồ uống có cồn ) Acid glutamic với muối monosodium glutamat (mì chính) chất điều vị thực phẩm Hàng năm sản lượng sản phẩm tới hàng trăm ngàn Ngoài người ta cịn biết tìm chất điều vị có độ đậm nhiều lần so với mì 5-nucleotit Việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất acid amin, đặc biệt acid amin không thay protein vitamin ngày có ý nghĩa Các sản phẩm có giá trị dinh dưỡng đầy đủ thuận tiện cho lối sống cơng nghiệp Trong acid hữu acid citric có ý nghĩa lớn việc sản xuất đồ uống khơng có rượu Trong cơng nghiệp thực phẩm công nghiệp đồ uống, enzyme vi sinh vật ngày ứng dụng nhiều Tại nhà máy rượu bia, amilase protease gây biến đổi bột nhào khiến cho chất lượng sản phẩm nâng cao rõ rệt Petinase xenllulase dùng vào sản xuất dịch sản phẩm rau Đối với cơng nghiệp đường melibiase (α - galactozidase) ý nhờ enzyme mà saccharose chứa rapinoza thu nhận dạng đường củ cải kết tinh Việc ứng dụng enzyme có ý nghĩa to lớn công nghiệp chế biến phát triển enzyme cố định giá mang bất động đẩy mạnh Nhờ mà tạo cho công nghiệp chất hoạt động điều kiện nhiệt độ áp suất bình thường Ngồi người ta phối hợp enzyme khác thành tác nhân phản ứng enzyme, chẳng hạn dùng để sản xuất acid amin từ protein Công nghệ lên men lĩnh vực quan trọng sản xuất thực phẩm Việc tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả lên men tốt, đem lại hiệu cao cần thiết Các nghiên cứu sử dụng công nghệ di truyền phục vụ cho công nghệ lên men chủ yếu vào hai hướng là: - Phân tích di truyền loại vi sinh vật sử dụng q trình lên men, xác định gen mã hóa cho tính trạng mong muốn nhằm tạo suất chất lượng sản phẩm lên men - Tạo vi sinh vật chuyển gen phục vụ cho qui trình lên men Ví dụ sản xuất rượu, ngày người ta dùng chủng vi sinh vật có khả tạo rượu cao cho hương vị tốt Phần lớn chủng nghiên cứu, tuyển chọn, lai tạo công nghệ di truyền Để sản xuất rượu vang, trước đây, người ta phải dùng hai loại vi sinh vật S Cerevisiae để tạo hàm lượng rượu dịch lên men sau đó, sử dụng Leuconostos lên men phụ trình tàng trữ, nhằm nâng cao chất lượng rượu Ngày nay, người ta tiến tới dùng chủng vi sinh vật chuyển gen để thực hai trình Đối với sản phẩm lên men sữa phomat sữa chua, trước kia, người ta thường sử dụng vi sinh vật tự nhiên có mặt sữa để lên men, vậy, người ta khó lịng kiểm sốt q trình lên men hiệu không cao Ngày người ta tạo chủng với tính chất xác định điều khiển trình lên men theo định hướng mong muốn Bằng công nghệ vi sinh vật, công nghệ gen người ta tạo chủng vi sinh vật có khả tổng hợp enzyme chịu nhiệt, chịu acid, chịu kiềm tốt để sản xuất enzyme Enzyme α-amylase chịu nhiệt sử dụng nhiều để sản xuất nha, đường glucose từ tinh bột Trước đây, công nghiệp thực phẩm nghiên cứu công nghệ sinh học sử dụng chủ yếu để hồn thiện quy trình cơng nghệ lên men truyền thống Cịn nay, nghiên cứu cơng nghệ sinh học chủ yếu liên quan đến việc tạo chủng có suất sinh học cao việc áp dụng chúng vào công nghệ lên men đại, sản xuất chế biến loại sản phẩm sau: - Công nghiệp sản xuất sữa - Công nghệ sinh học chế biến tinh bột - Sản xuất nước uống lên men, như: bia, rượu nho, rượu chưng cất - Sản phẩm chứa protein, như: protein vi khuẩn đơn bào, protein từ tảo lam cố định đạm cyanobacteria vi tảo - Sản xuất chất tăng hương vị thực phẩm, như: citric acid, amino acid, vitamin màu thực phẩm, chất tăng vị thực phẩm, keo thực phẩm Bảng 1.1 Ứng dụng kỹ thuật sinh học công nghiệp thực phẩm Sản phẩm Vitamin: Riboflavin(B2) - carotin Enzyme: amylase Protein đơn bào: Sử dụng Chất gia vị có tính chất vitaminvà có tác dụng tạo màu cho thực phẩm Vi sinh vật Eremothecium asbyii Blakeslea trispora Sản xuất thực phẩm Aspergillus niger đường công nghiệp Bacillus subtilis Thuỷ phân tinh bột Candida utilus Tảo lam Dinh dưỡng cho vi sinh vật, tương lai dùng cho dinh dưỡng người dạng thực thục phẩm nhân tạo Các tảo khác Nấm men bánh mì Làm nở bánh Saccharomyces cerevisiae Etanol: Làm đồ uống Saccharomyces cerevisiae Nấm men Vi khuẩn Bia, rượu vang, đồ uống chứa rượu Methanomonas methanica Spirunina maxima Chlorella pyrenoidoza Acid amin Chất gia vị cho thực phẩm Corynebacterrium glutamicum Acid hữu cơ: Chất gia vị cho thực phẩm đồ uống Acetobacter suboxydans Acid axetic Aspergillus niger Acid citric Acid lactic 1.3 Một số thành tựu kỹ thuật trình sinh học công nghiệp thực phẩm Các sản phẩm công nghệ lên men: Trên thực tế, nhiều sản phẩm sản xuất với số lượng lớn công nghệ lên men: -Antibiotic : penicillin, tetracycline -Amino acid : MSG (monodium glutamate)-Bột hay mì -Steroids : 11 -hydroxylation steroid, Vitamin C -Pesticides : bào tử BT (Bacillus thuringiensis) -Hoá chất số lượng lớn : ethanol nhiên liệu, citric acid,… -Các enzyme : protease, glucose isomerase, amylase,… -Các vitamin: riboflavin (B2), vitaminB12,… -Các nucleotide : 5‟IMP(5‟-inosine), 5‟GMP(5‟-guanylate),… -Polysaachrides : xanthan, cellulose vi khuẩn, -Vaccine loại Trong xu hướng phát triển Hố học xanh (Green chemistry) nhiều quy trình cơng nghệ hố học thay CNSH Hàng năm giới sản xuất khoảng 150.000 glutamate-Na làm bột 15.000 lysine làm chất bổ sung vào thực phẩm thức ăn gia súc với tổng trị giá chừng 1,5 tỷ USD, chủ yếu sản xuất Nhật Bản Người ta sử dụng khả biến đổi sinh khối thực vật có hàm lượng protein cao vi sinh vật để sản xuất protein đơn bào (Single Protein Cell - SPC) Ở Đức hoạt động quy trình cơng nghệ ni nấm men Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea Candida utilis để sản xuất thực phẩm giàu protein cho người Nhiều công ty dầu khí hố chất tiến hành áp dụng quy trình cơng nghệ sản xuất SPC từ dầu mỏ, khí methane, rượu methanol tinh bột Ở Anh, hãng ICI sử dụng Methylophilus methylotrophus môi trường methanol sản xuất khoảng 70.000 tấn/năm SPC có tên thương phẩm Pruteen Ở Liên Xô cũ, hàng năm từ nguồn nguyên liệu carbohydrate phế liệu nông nghiệp sản xuất tỷ SPC dùng chăn ni Chỉ tính riêng ngành sản xuất bia rượu Anh hàng năm có doanh thu khoảng 15 tỷ USD, giới hàng năm sản xuất khoảng tỷ USD thuốc kháng sinh, 1,5 tỷ USD amino acid, 500 triệu USD chế phẩm Theo đánh giá chưa đủ, năm 2000 tổng doanh thu từ CNSH 100 tỷ USD Bảng 3.2: So sánh doanh số sản phẩm chủ yếu công nghệ sinh học TT Sản phẩm Doanh số (triệu USD) Rượu, bia 23 000 Phomat Cheese) Siro Fructose 800 Nấm men bánh mì 540 Enzyme 150 (Fromage, 14 000 Filename: CHƯƠNG 1.doc Directory: C:\Documents and Settings\welcome\Desktop\New Folder Template: C:\Documents and Settings\welcome\Application Data\Microsoft\Templates\Normal.dot Title: CHƯƠNG Subject: Author: User Keywords: Comments: Creation Date: 9/5/2010 5:36:00 PM Change Number: 15 Last Saved On: 9/5/2011 10:59:00 PM Last Saved By: User Total Editing Time: 138 Minutes Last Printed On: 9/9/2011 8:37:00 AM As of Last Complete Printing Number of Pages: Number of Words: 3,024 (approx.) Number of Characters: 11,403 (approx.) ... Hình 1. 1 Các nhà vi sinh vật học công nghiệp tiền bối (a) Louis Pasteur (18 22 – 18 95); (b) – Emil Christian Hansen (18 42 – 19 09); (c) Eduard Buchner (18 60- 19 17) ; (d) - Alexander Fleming (18 81- 1955)... Title: CHƯƠNG Subject: Author: User Keywords: Comments: Creation Date: 9/5/2 010 5:36:00 PM Change Number: 15 Last Saved On: 9/5/2 011 10 :59:00 PM Last Saved By: User Total Editing Time: 13 8 Minutes... Rượu, bia 23 000 Phomat Cheese) Siro Fructose 800 Nấm men bánh mì 540 Enzyme 15 0 (Fromage, 14 000 Filename: CHƯƠNG 1. doc Directory: C:\Documents and Settings\welcome\Desktop\New Folder Template: