BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI o o PGS TS LÊ GIA HY CÔNG NGHỆ THU HỒI SẢN PHẨM CÔNG NGHỆ SINH HỌC Hà Nội - 2015 Lời mở đầu LỜI NĨI ĐẦU Cơng nghệ sinh học 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 q trình cơng nghệ vi sinh vật, 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 sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học giai đoạn thu hồi hồn thiện sản phẩm quan trọng, vừa góp phần hồn thiện quy trình sản xuất, vừa tạo sản phẩm có ý nghĩa thương mại cao Cuốn sách xem sách chuyên sâu kỹ thuật thu hồi hồn thiện sản phẩm cơng nghệ sinh học, phần quan trọng trình sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học Do vậy, mục đích của sách nhằm cung cấp nguyên lý, kỹ thuật để phân tách hoàn thiện 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 sách “Công nghệ thu hồi sản phẩm công nghệ sinh học” gồm chương tập trung vào nội dung sau đây: Giới thiệu mục đích yêu cầu thu hồi số sản phẩm sinh học (sinh khối, protein, enzym, chất hoạt hóa bề mặt sinh học, sản phẩm trao đổi chất bậc 1, bậc 2…) từ lên men vi sinh vật, ni cấy tế bào chuyển hóa sinh học Nguyên lý kỹ thuật thu hồi sản phẩm sinh học: Ly tâm, phá vỡ tế bào, loại sắc ký cột (trao đổi ion, sắc ký lực, lọc gel ), tạo tinh thể, kỹ thuật lọc, tách chiết lỏng-lỏng, đóng gói protein… Ngồi ra, kỹ thuật phân tích, đánh giá hiệu kỹ thuật, hiệu kinh tế trình giới thiệu Giới thiệu kỹ thuật hoàn thiện số sản phẩm sinh học bản: Chế phẩm vi sinh vật, chế phẩm enzym, sản phẩm protein,… Lời mở đầu Tuy nhiên, thời gian có hạn, sách tập trung vào phần kỹ thuật thu hồi số sản phẩm chính, chắn cịn nhiều thiếu sót, mong đóng góp ý kiến độc giả để sách bổ sung hoàn thiện Hà Nội, tháng năm 2015 Tác giả Chương Tổng quan thu hồi sản phẩm công nghệ sinh học Chương TỔNG QUAN VỀ THU HỒI SẢN PHẨM TRONG CÁC Q TRÌNH ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SINH HỌC 1.1 CÁC SẢN PHẨM TRONG CÁC Q TRÌNH ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SINH HỌC 1.1.1 Cơng nghệ sinh học gì? Định nghĩa tổng quát Có nhiều định nghĩa cách diễn đạt khác công nghệ sinh học tùy theo tác giả khác nhau, tất thống khái niệm sau đây: Công nghệ sinh học sản xuất sản phẩm quy mơ cơng nghiệp, 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 Đầu năm 1980, bắt đầu hình thành cơng nghệ sinh học đại lĩnh vực công nghiệp sử dụng hoạt động sinh học tế bào biến đổi di truyền Công nghệ sinh học đại đời với xuất kỹ thuật gen Cơ sở sinh học áp dụng bao gồm sinh học phân tử, sinh học tế bào, hóa sinh học, di truyền học, vi sinh vật học, miễn dịch học, nguyên lý kỹ thuật máy tính Có hai cách định nghĩa công nghệ sinh học cách tổng quát nhất: - Do UNESCO (1985) định nghĩa: Công nghệ sinh học công nghệ sử dụng phận hay tế bào riêng rẽ thể sinh vật vào việc khai thác sản phẩm chúng - Do Trường Luật Stanford (1995) định nghĩa: Công nghệ sinh học công nghệ chuyển hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản phẩm chức gen Sự khác biệt rõ rệt hai định nghĩa thuộc đối tượng tác động công nghệ sinh học: UNESCO xem quan, phận, tế bào chức riêng rẽ sinh vật đối tượng, Trường Luật Stanford lại coi gen đối tượng tác động công nghệ Chương Tổng quan thu hồi sản phẩm công nghệ sinh học Theo BIO 2014 (Biotechnology Induistry Organization): Công nghệ sinh học công nghệ dựa vào sinh vật sống nhằm khai thác trình tế bào phân tử sinh học để phát triển công nghệ sản phẩm giúp cải thiện đời sống sức khỏe người hành tinh Con người sử dụng trình sinh học vi sinh vật 6.000 năm để sản xuất sản phẩm thực phẩm hữu ích, bánh mì, mát bảo quản sản phẩm thực phẩm hàng ngày (các sản phẩm từ sữa…) Từ định nghĩa trên, phân biệt hai nhóm cơng nghệ sinh học là: Công nghệ sinh học truyền thống (Traditional Biotechnology) Công nghệ sinh học truyền thống bao gồm công nghệ: (a) Thực phẩm lên men truyền thống (Food of Traditional Fermentations), (b) Công nghệ lên men vi sinh vật (Microbial Fermentation Technology), (c) Sản xuất phân bón thuốc trừ sâu vi sinh vật (Production of Microbial Fertilizer and Pesticide), (d) Sản xuất sinh khối giàu protein (Protein-Rich Biomass Production); (e) Nhân giống vơ tính ni cấy mô tế bào thực vật (Plant Micropropagation) (f) Thụ tinh nhân tạo (In vitro Fertilization) Công nghệ sinh học đại (Modern Biotechnology) Công nghệ sinh học đại bao gồm công nghệ: (a) Nghiên cứu genome (Genomics), (b) Nghiên cứu proteome (Proteomics), (c) Thực vật động vật chuyển gen (Transgenic Animal and Plant), (d) Động vật nhân (Animal Cloning), (e) Chip gen (DNA chip), (f) Liệu pháp tế bào gen (Gen and Cell Therapy), (g) Công nghệ sinh học nano (Nanobiotechnology), (h) Tin sinh học (Bioinformatics), (i) Hoạt chất sinh học (Bioactive Compounds) (k) Protein biệt dược (Therapeutic Protein) 1.1.2 Nội dung khoa học công nghệ sinh học Công nghệ sinh học phân loại theo kiểu khác nhau, xét góc độ tác nhân sinh học tham gia vào q trình cơng nghệ sinh học, chia thành nhóm sau: (a) Công nghệ sinh học thực vật (Plant Biotechnology), (b) Công nghệ sinh học động vật (Animal Biotechnology), (c) Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial Biotechnology) (d) Công nghệ sinh học enzyme hay công nghệ enzym (Enzyme Biotechnology) Chương Tổng quan thu hồi sản phẩm công nghệ sinh học Gần đây, tác nhân sinh học tế bào cịn hình thành khái niệm công nghệ protein (Protein Engineering) công nghệ gen (Gen Engineering), công nghệ trở thành “công nghệ chìa khóa” nằm cơng nghệ sinh học thực vật, công nghệ sinh học động vật công nghệ sinh học vi sinh vật Nhờ kỹ thuật đọc trình tự gen kỹ thuật DNA tái tổ hợp, công nghệ gen đạt thành tựu to lớn mang tính định, mở giai đoạn phát triển mới, nghiên cứu tồn genome nhiều sinh vật, đáng ý việc giải mã genome người lúa, từ hình thành phương hướng nghiên cứu, ứng dụng kinh doanh sinh vật chuyển gen (Gentically Modified Organism-GMO) thực phẩm chuyển gen (Gentically Modified Food-GMF) Cơng nghệ protein có tiềm ứng dụng lớn việc sản xuất protein tái tổ hợp (Recombinant Protein) dùng làm dược phẩm điều trị bệnh hiểm nghèo như: interferon, interleukin, insulin Mặt khác, tùy vào đối tượng phục vụ cơng nghệ sinh học, chia lĩnh vực công nghệ sinh học khác như: (a) Công nghệ sinh học nông nghiệp (Biotechnology in Agriculture), (b) Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm (Biotecnology in Food Processing), (c) Công nghệ sinh học y dược (Biotechnology in Medicine-Pharmaceutics), (c) Công nghệ sinh học môi trường (Environmental Biotechnology), (d) Công nghệ sinh học vật liệu (Material Biotechnology), (e) Cơng nghệ sinh học hóa học (Biotechnology in Chemical Production), (f) Công nghệ sinh học lượng (Biotechnology in Energy Production) Một số tác giả cho lồi người áp dụng cơng nghệ sinh học từ lâu vào hoạt động sản xuất, ví dụ: công nghệ sản xuất đồ uống (rượu, bia ) cơng nghệ sản xuất thực phẩm (men bánh mì, nước mắm, tương, chao ) Do đó, việc định nghĩa phân loại công nghệ sinh học giai đoạn phát triển ban đầu có ý nghĩa quan trọng để có sách đầu tư hợp lý ưu tiên cho công nghệ sinh học 1.1.3 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học Dưới lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học quan tâm hàng đầu Công nghệ sinh học nông nghiệp Chương Tổng quan thu hồi sản phẩm công nghệ sinh học Lĩnh vực nông nghiệp mục tiêu phát triển hàng đầu công nghệ sinh học nhiều nước công nghiệp giới, thực tế hoạt động nghiên cứu phát triển, sản xuất thương mại hóa lĩnh vực nhiều tập đồn lớn Có thể nêu ba lĩnh vực là: - Giống trồng vật ni nhân vơ tính chuyển gen mang đặc điểm nông-sinh quý phương pháp truyền thống không tạo được, đồng thời lại bảo vệ thông qua quyền tác giả - Các chế phẩm sinh học dùng bảo vệ trồng vật nuôi, như: vaccine, thuốc trừ sâu bệnh phân bón vi sinh - Công nghệ bảo quản chế biến nông-hải sản chế phẩm vi sinh enzyme Giá trị nơng sản nâng lên nhiều lần quy trình công nghệ kèm trang thiết bị dạng hàng hóa kinh doanh chuyển giao cơng nghệ Ngồi liệt kê thêm số lĩnh vực khác: - Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm: Các enzyme (amylase, rennin, β-galactosidase, invertase, gluco-isomerase, pectinase), chất phụ gia thực phẩm (các chất tạo ngọt, hương vị, tạo màu, bột nở làm ổn định, vitamine, amino acid, chất chống oxy hóa, chất bảo quản, chất hoạt hóa bề mặt ) - Các loại thức ăn bổ sung cho chăn nuôi (kháng sinh ) - Các loại thuốc trừ sâu, diệt cỏ với tính đặc hiệu tăng lên (các sản phẩm Bt, baculovirus, tuyến trùng ký sinh ) - Các hormone sinh trưởng thực vật (các cytokinin ) - Các hóa chất chẩn đốn bệnh cho động-thực vật Cơng nghệ sinh học y dƣợc Có lẽ thành tựu công nghệ sinh học thể rõ nét lĩnh vực y học, hầu hết sản phẩm quan trọng sau sản xuất sở công nghệ sinh học, bao gồm ứng dụng sau: - Các loại kháng sinh chất diệt khuẩn, loại vitamin chất bổ dưỡng, loại axit amin hỗn hợp chúng dịch truyền, loại vaccin loại hormone chữa bệnh Chương Tổng quan thu hồi sản phẩm công nghệ sinh học - Các kit chuẩn dùng chẩn đốn bệnh chẩn đốn hóa sinh y dược - Cây trồng vật nuôi cấy chuyển gen sản sinh loại protein trị liệu mục tiêu đầu tư nhiều công ty y dược hàng đầu giới Cụ thể nghiên cứu sản xuất dược phẩm, kháng thể đơn dòng, interferon, hormon (hormon sinh trưởng, insulin, erythropooietin, thrombopoietin ), enzym (urokinase, heparinase, alcohol dehydrogenase), protein khác (các kháng nguyên đặc hiệu, albumin, antithrombin, fibronectin ), kháng sinh, thuốc vitamine mới, dược phẩm có chất protein, loại vaccine viêm gan B, HIV, cúm, sốt rét, viêm não, tả tác nhân gây bệnh tiêu chảy, kit chẩn đốn: chẩn đốn có mặt HIV, virus viêm gan B máu, số chẩn đoán thai Điều trị gen: điều trị gen gây bệnh di truyền Hiện nay, công ty CNSH y dược hàng đầu giới tập trung vào nghiên cứu tạo sản phẩm chống lại bệnh như: HIV/AIDS, loại bệnh ung thư, đái tháo đường, bệnh tim mạch, bệnh truyền nhiễm Công nghệ sinh học công nghiệp chế biến thực phẩm Công nghệ sinh học công nghiệp bao gồm lĩnh vực sản xuất loại enzyme amylase, cellulase protease dùng công nghiệp dệt, công nghiệp xà phịng mỹ phẩm, cơng nghiệp bánh kẹo, rượu bia nước giải khát Sau loại sản phẩm công nghiệp sinh học ứng dụng ngành cơng nghệ khác: - Cơng nghiệp hóa chất: Các hóa chất thơng dụng (ví dụ: acrylamid) sản xuất cơng nghệ sinh học Cơng nghiệp hóa học có hiệu dùng chất xúc tác sinh học (enzym), tái sinh xử lý dung môi đường sinh học - Quá trình chế biến tinh bột: Dùng enzyme cơng nghệ sinh học tạo để dịch hóa đường hóa tinh bột thành glucose chuyển hóa thành fructose Chương Tổng quan thu hồi sản phẩm công nghệ sinh học - Công nghiệp làm sạch: Các chất giặt tẩy đại đuợc bổ sung protease enzym khác làm vết bẩn protein, tinh bột chất béo - Công nghiệp bột gỗ giấy: Nhu cầu thị trường bảo vệ mơi trường ngày lớn giấy chứa hợp chất chlorine gây nhiễm Ví dụ, q trình sản xuất bột giấy gây nhiễm nặng, công nghệ sinh học đưa giải pháp sinh học để sản xuất bột giấy không gây ô nhiễm cách sử dụng loại nấm phân hủy lignin-cellulose để tạo bột enzym dùng nâng cao chất lượng sợi chất lượng giấy - Cơng nghiệp khai khống phát khống sản Có cơng nghệ: lọc sinh học/oxy hóa sinh học kim loại; xử lý ô nhiễm kim loại tái sinh Công nghệ lọc kim loại dùng vi sinh vật thu kim loại q đồng, kẽm cobalt Cơng nghệ xử lý sinh học nhiễm áp dụng kim loại nặng Công nghệ sinh học môi trƣờng Tuy lĩnh vực mới, phát triển ứng Hình 1.1: Mơ hình cơng nghệ sinh dụng công nghệ sinh học học môi trường đáng kể, trình xử lý chất thải khơng khép kín xử lý sinh học khó thành cơng trọn vẹn Các hoạt động CNSH mơi trường trọng là: - Công nghệ phân hủy sinh học: Dùng thể sống phân hủy chất thải độc tạo nên chất khơng độc nước, khí CO vật liệu khác Bao gồm, công nghệ kích thích sinh học: bổ sung chất dinh dưỡng để kích thích sinh trưởng vi sinh vật phân hủy chất thải có sẵn mơi trường, cơng nghệ bổ sung vi sinh vật vào môi trường để phân hủy chất 10 Chương Đánh giá hiệu trình thu hồi… m Thay đổi disulfid bên làm cho proinsulin cuộn lại Hoạt động xúc tác loại bỏ gốc SO3 sau cho phép proinsulin cuộn lại đụng dạng gốc Sau hồn thành sulfonat oxy hóa, dung dịch bơm sang nồi phản ứng có vỏ cánh khuấy Phản ứng tiến hành 12-24 5oC đệm glycin 0,05M pH 10,5 Sau proinsulin cuộn lại hịa tồn chỉnh pH 7,0 n Tinh proinsulin trao đổi ion Sau trình cuộn lại, 1400 lit dịch protein có chứa proinsulin truyền qua hai cột trao đổi anion 75 lit, song song, đóng đầy gel DEAE Sepharose dịng nhanh Tiến hành trao đổi ion để loại bỏ GuHCl muối, làm proinsulin Proinsulin liên kết chọn lọc với gel pH 7,0 Các cột rửa với dung dịch đệm proinsulin rửa giải dung dịch NaCl p Phân cắt proinsulin enzym Sau trao đổi ion, dịch rửa giải xử lý dung dịch đệm 0,1M Tris HCl pH 7,6 37oC 60 phút bình phản ứng có vỏ cánh khuấy Để phân cắt proinsulin ban đầu bổ sung trypsin, phân cắt đầu carboxy gốc lysin arginin bên trong, sau cho carboxypeptidase B, loại bỏ axit amin đầu cuối q Sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) Đó mong muốn để tinh insulin đạt tiêu hiệu suất (để cao 99%) HPLC ngược pha sử dụng có khả phân tách loại insulin khác thành phần axit amin riêng biệt Do đòi hỏi độ tinh khiết đồng cao, suất khoảng 70% s Cô đặc insulin siêu lọc Các dòng chảy từ HPLC bơm vào bể chứa sau đến đơn vị siêu lọc Thiệt hại bước suất thu 99,5% t Kết tinh insulin với zinc chlorid Amoni acetat kẽm chlorid với 0,02M loại bổ sung vào dung dịch insulin với pH trì 5,4 -6,2 Quá trình kết tinh thực 5oC 12 -24 274 Chương Đánh giá hiệu trình thu hồi… u Ly tâm thu nhận tinh thể insulin kẽm Tổng số 180 lit dịch chứa tinh thể kẽm insulin đưa vào máy ly tâm tốc độ cao cấp độ pillot Năng suất ước tính đạt 99,5% v Cô tinh thể insulin kẽm 15 lit dịch nhão từ máy ly tâm có chứa 3,15 kg insulin cho vào thiết bị bay nhanh Quá trình làm khô sản xuất 3,13 kg insulin người tái tổ hợp Tồn q trình sản xuất mơ tả phải sản xuất đơn vị sản phẩm (ở 1000 kg insulin) 7.3.2 Tinh tốn hiệu kinh tế q trình (Chú ý: Phần tính tốn số ví dụ để tính tốn, kết khơng phải số xác để tính tốn hiệu kinh tế cho quy trình sản xuất insulin trên!) Ƣớc tinh chi phí vốn đầu tƣ Danh sách thiết bị cần thiết cho trình sản xuất cần liệt kê đầy đủ Ví vụ, thiết bị cho q trình cơng nghệ lên men sản xuất sản xuất insulin (theo hình 7.2) liệt kê phân bổ kinh phí mua sắm trang thiết bị thể Bảng 7.1 Bảng 7.1: Phân bổ chi phí mua trang thiết bị cho q trình sản xuất insulin STT Thiết bị Thành tiến (triệu đống) Nồi khử trùng liên tục Máy lên men Máy ly tâm Máy đồng hóa (nghiền) Máy siêu lọc Thiết bị trao đổi ion Máy cô ly tâm HPLC Nồi phản ứng 10 Máy nén khí 11 Máy bơm 12 Các loại khác (Bình chứa, v.v…) Tổng số 6.810 275 Chương Đánh giá hiệu q trình thu hồi… Thơng thường chi mua thiết bị (CPE) tính cho thiết bị Nồi nhân giống nồi lên men sản xuất chiếm gần 75% chi phí cho q trình lên men, thiết bị khử trùng chiếm gần 19% tổng chi phí cho q trình lên men Trong phần thu hồi, nồi phản ứng, thùng tàng trữ máy bơm hầu hết tổng chi phí Các máy ly tâm tốc độ cao lên đến 24%, tổng chi phí cho cụm HPLC chiếm 11% tổng chi phí thiết bị thu hồi Ƣớc tính chi phí vận hành Bảng cho phân tích chi phí ngun liệu liên quan đến q trình lên men (Bảng 7.2) trình thu hồi sản phẩm (Bảng 7.3) Lưu ý rằng, chi phí tổng số mơi trường lên men chiếm 10% tổng chi phí tổng số nguyên vật liệu, tổng chi phí guanidin hydrochlorid chiếm gần nửa tổng chi phí nguyên vật liệu Bảng 7.2: Chi phí ngun liệu cho q trình lên men Thành phần Nồng độ (g/L) Nhu cầu năm (kg) Đơn giá (tr đồng) Chi phí năm (tr đ) Tỷ lệ (%) Glucose Nước ngâm ngô KH2PO4 K2HPO4 Chất phá bọt Tetracyclin 68,3 17,9 3,3 3,3 2,7 2.7 (NH4)2SO4 Muối vệt 0,3 2,1 100,0 32.443,00 Trên sở phân tích q trình sản xuất dự kiến chi phí nguyên vật liệu người ta đưa tổng chi phí cho q trình sản xuất (AME) 64.885,00 triệu đồng phân bổ theo đồ thị hình 7.3 Trong đó, chi phí chung chiếm 19,4%, chi phí trực tiếp- 69,4%, chi phí điện nước-12,4% chi phí khấu hao – 8,9% Tổng chi phí năm cho trình sản xuất 24.876 triệu đồng (Hình 7.3) phân bổ vào phần: Chi phí trực tiếp 69,4%, chi phí gián tiếp 12,4%, chi phí chung 19,4% chi phí tiêu hao (depreolation) 8,9% 276 Chương Đánh giá hiệu trình thu hồi… Bảng 7.3: Chi phí ngun liệu cho q trình thu hồi Thành phần Nhu cầu năm (kg) Đơn giá (tr đ/kg) Guanidin-HCI Carboxypeptidase B Format Cyanogen bromid Amoni sulfat Ethanol 95% Tetrathionat natri β-Mercaptoethanol Tris-HCI Glycin Sulfit natri ZnCl2 Trypsin Tổng cộng Chi phí năm (tr đ) Tỷ lệ (%) 56,4 21,3 8,5 6,5 1,8 1,4 1,0 0,8 32.442,00 Hình 7.2: Biểu đồ tổng chi phí sản xuất (AME) Hình 7.3: Biểu đồ phân tích tổng chi phí năm (ATE) 277 100 Chương Đánh giá hiệu q trình thu hồi… Hồn vốn đầu tƣ (ROI) thời gian hoàn vốn Hoàn vốn đầu tư nằm hình thức tiết kiệm chi phí, lợi nhuận tăng thêm hay gia tăng giá trị Để tính doanh thu từ đầu tư, lấy tổng số tiền thu trừ tổng chi phí đầu tư Để tính ROI - tỷ lệ hồn vốn đầu tư, chia số tiền doanh thu cho tổng chi phí đầu tư Như vậy, xác định hiệu suất sử dụng để đánh giá hiệu đầu tư để so sánh hiệu khoản đầu tư khác Để tính tốn ROI, lợi ích (hoàn vốn) đầu tư chia cho chi phí đầu tư thể tỷ lệ phần trăm hay tỷ lệ lợi nhuận vốn đầu tư (%) Cơng thức tính hồn vốn đầu tư sau: Trong công thức trên, "lợi nhuận từ đầu tư" số tiền thu từ việc bán sản phẩm quan tâm từ vốn đầu tư Hoàn vốn đầu tư thước đo phổ biến đầu tư khơng có ROI dương khơng có hội khác có ROI cao khơng nên thực việc đầu tư Ví dụ cách tính tốn vốn đầu tư thời gian hồn vốn: a Chi phí đầu tư - Tổng vốn đầu tư: 24.876.000.000 đồng - Vốn cố định: 12.776.000.000 đồng, mua sẵm máy móc, thiết bị: 6.810.000.000 đồng + xây dựng kiến thiết bản: 5.000.000.000 đồng + đào tạo: 966.000.000 đồng - Vốn lưu động 12.100.000.000 đồng b Các tiêu kinh tế - Công suất xí nghiệp: 150 kg/ năm Chi phí sản xuất năm: 532.038.896,00 nghìn đồng - Chi phí sản xuất cho sản phẩm = 532.038.896,00 nghìn/150 kg = 346.925,97 nghìn đồng Chi phí nhân cơng kg sản phẩm: 660,00 nghìn đồng Năng lượng cho kg sản phẩm: 86.731,49 nghìn đồng Khấu hao cho kg sản phẩm (10% vốn đầu tư năm): 8.511,06 nghìn đồng 278 Chương Đánh giá hiệu trình thu hồi… - Giá thành xuất xưởng cho kg sản phẩm: 442.828,52 nghìn đồng - Phí lưu thơng (0,5%): 2.214,14 nghìn đồng - Giá thành cho kg sản phẩm: 445.024,66 nghìn đồng c Phân tích tài Thuế loại: VAT: 445.024.660 x 5% = 22.250.130 đồng Giá xuất xưởng: 445.024.660 + 22.250.130 = 467.276.790 đồng d Phân tích hiệu kinh tế - Hiệu kinh tế sau: Lợi nhuận/ sản phẩm = Giá bán - giá xuất xưởng = 504.000.000 - 467.276.790 = 36.723.210 đồng/kg sản phẩm Lợi nhuận năm = 36.723.210 x 150 = 5.508.481.000 đồng + Thời gian thu hồi vốn đầu tư (T): T = Tổng vốn đầu tư /Thu nhập bình quân năm = 12.776.000.000 / 5.508.481.000 = 2,31 năm 7.3.3 Hiệu kinh tế q trình thu hồi cơng nghệ sinh học Nguyên tắc Xây dựng quy trình sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học thường tốn kém, yêu cầu vốn đến xây dựng sở vật chất vận hành trình sản xuất Cũng giống đánh giá hiệu kinh tế trình lên men sản xuất, xuất phát điểm trình thu hồi sản phẩm dựa giả định sau đây: (1) Đối tượng nghiên cứu cụ thể lựa chọn để xây dựng nhà máy sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học mong muốn; (2) Công nghệ sản xuất định rõ; (3) Tất giấy phép (phê chuẩn quy trình sản xuất, quy trình xử lý chất thải chất lượng sản phẩm) cấp (4) Nhu cầu thị trường sản phẩm tăng thu hút kg hay sản phẩm Đối với quy trình sản xuất, có hai vấn đề chủ yếu cần phải giải quyết: (1) Phần sản phẩm sản xuất bạn? khối lượng cần sản xuất bao nhiêu? Cần xác định giá để xây dựng nhà máy (chi phí vốn cố định) chi phí cho nhà máy hoạt động (chi phí vốn lưu động) Cả chi phí vốn cố định vốn lưu động phụ thuộc vào quy mô sản xuất 279 Chương Đánh giá hiệu trình thu hồi… Như vậy, có hai phần dự tốn chi phí bản: Chi phí vốn đầu tư chi phí vốn lưu động Trước tiến quan tâm chi phí đầu tư liên quan đến chế tạo máy móc hồn chỉnh, bao gồm đơn vi sản xuất, nhà xưởng đất đai phân xưởng sau quan tâm đến vận hành nhà máy bao gồm nhân lực, nguyên liệu thô, điện nước (hơi nước, điện nước) Chi phí đầu tƣ Chi phí vốn bao gồm chi phí cho việc xây dựng sở nhà máy, chế tạo thiết bị tồn cho nhà máy chi phí đất đai Nó bao gồm chi phí: - Tất thiết bị cần thiết cho sản xuất, thu hồi, cung cấp điện nước bao gồm phụ kiện: Thiết bị đo đạc; tư vấn lắp đặt (các thiết bị, đường ông dẫn nước, khi, ); công lắp đặt; mua đất đai, chuẩn bị xây dựng thiết kế; xây dựng; phí nhà thấu; giám sát cơng trình; bảo hiểm thuế; dự phịng - Các loại chi phí đầu tư: (a) Chi phí vốn trực tiếp cố định tổng số tiền cần thiết để thiết lập, xây dựng lắp đặt trang thiết bị nhà máy (b) Chi phí vốn gián tiếp hoạt động nhà máy vốn hoạt động cần thiết cho việc xây dựng nhà máy (các chi phí thuế kỹ thuật) Chi phí hoạt động Các chi phí hoạt động hay chi phí sản xuất đơn giản thước đo số tiền bỏ để sản xuất sản xuất, bao gồm việc phát triển cải thiện quy trình chi phí thương mại hóa (tiếp thị bn bán) Các chi phí hoạt động phân thành: (a) Chi phí cố định chi phí khơng liên quan đến khối lượng sản xuất, có nghĩa loại thuế, khấu hao, vượt trội, v.v… (b) Chi phí biến đổi chi phí liên quan đến cơng lao động, nguyên vật liệu lượng Các đầu mục thường bao gồm chi phí vận hành: Nguyên vật liệu, điện nước, xử lý chất thải, lao động (có đào tạo), giám sát, bảo dưỡng, chi phi chung, nghiên cứu phát triển, quyền, chi phí bán hàng thuế Chiến lƣợc cắt giảm chi phí Nghiên cứu hoàn thiện nâng cấp chất lượng sản phẩm cách sử dụng điều kiện môi trường xung quanh hợp lý, cải tiến quy trình theo mẻ thành quy trình liên tục, nâng cấp quy mơ nhỏ lên quy mô lớn, sử 280 Chương Đánh giá hiệu trình thu hồi… dụng thiết bị phản ứng đa chức năng, giảm thiểu chất gây ô nhiễm độc hại Một số phận thiết yếu q trình khơng thể thỏa mãn thay thiết bị trình độ thấp rẻ tiền Đây xem trường hợp đòi hỏi ngyên liệu đầu vào đắt tiền, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối Trong tình vậy, việc cắt giảm chi phí đạt cách sử dụng kỹ thuật chế biến đắt tiền, ví dụ sắc ký lực sử dụng thay kỹ thuật khác để bù đắp chi phí cho nguyên vật liệu đắt tiền Nguyên liệu đầu vào đăt tiền người ta sử dụng kỹ thuật sắc ký lực mà với thiết bị đắt tiền máy siêu ly tâm địi hỏi người sử dụng có trình độ chun mơn chuyên sâu trình chiết xuất phức tạp CHỦ ĐỀ ÔN TẬP CHƢƠNG Sự khác hiệu kỹ thuật hiệu kinh tế Sự cần thiết phải đánh giá hiệu kỹ thuật Mối tương quan nang cao hiệu kỹ thuật với việc phát triển hoàn thiện sản phẩm Vì phải dựa sở đánh giá hiệu để nâng cao chất lượng sản phẩm cải thiện trình sản xuất Vì lại cần cải tiến quy trình sản xuất theo hướng bền vững Bản chất ý nghĩa việc đánh giá hiệu kinh tế Các cách tiêu đánh giá hiệu kinh tế trình sản xuất Vấn đề ứng dụng tiêu đánh giá hiệu sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học Trình bày tốn ứng dụng Sự cần thiết phải phân tích nội dung khoa học công nghệ xác định mục tiêu, quy mô sản xuất liên quan trình sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học 10 Vì lại cần mơ tả chi tiết quy trình cơng nghệ sản xuất chế phẩm công nghệ sinh học để đánh giá hiệu kinh tế 11 Nội dung tính tốn hiệu kinh tế và hoàn vốn đầu tư 12 Hiệu kinh tế q trình thu hồi cơng nghệ sinh học 281 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Gia Hy Khuất Hữu Thanh (2010) Cơ sở Công nghệ vi sinh vật ứng dụng, Nhà xuất Giáo dục Lê Gia Hy (2013) Công nghệ sản xuất kháng sinh, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Lê Gia Hy Đặng Tuyết Phương (2010) Enzym vi sinh vật chuyển hóa sinh học – Nguyên lý ứng dụng, Nhà xuất Khoa học tự nhiên Công nghệ 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 9th lecture Downstream Processing http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/Downstream.pdf Carta, G and Jungbauer, A (2010) Downstream processing of biotechnology products In: Protein chromatography: Process development and scale-up Wiley-VCH, Weinheim, pp 341–346 Committee for Medicinal Products for Human Use (CHMP)/ Committee for Medicinal Products for Veterinary Use (CVMP) (2012) Guideline on setting specifications for related impurities in antibiotics MA/CHMP/CVMP/QWP/199250/2009 corr 8/15 European Medicines Agency (2003) Guidance on evaluation of stability data (CPMP/ICH/420/02) GE Healthcare Bio-Sciences AB (2007) Affinity ChromatographyPrinciples and Methods, 751 84 Uppsala, Sweden 10 Giorgio Carta and Alois Jungbauer Protein Chromatography: Process Development and Scale-Up © 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-31819-3 11 Kalyanpur, M (2002) Downstream processing in the biotechnology industry Molecular Biotechnology 22: 87-98 12 Magalhães PO1, Lopes AM, Mazzola PG, Rangel-Yagui C, Penna TC, Pessoa A Jr Methods of endotoxin removal from biological preparations: a review J Pharm Pharm Sci 2007;10(3):388-404 283 Tài liệu tham khảo 13 Magalhães PO1, Lopes AM, Mazzola PG, Rangel-Yagui C, Penna TC, Pessoa A Jr (2007) Methods of endotoxin removal from biological preparations: a review J Pharm Pharm Sci 10(3):388-404 14 Mandel, M., Andreotti, R and Roche, C 1976 Measurement of saccharifying cellulase Biotech Bioeng Symp 6: 21-23 15 Maulishree Agrahari, Niranjan Mukherjee Downstream Process Technology – BT 402 16 Ratanapongleka, K (2010) Recovery of biological products in aqueous two phase systems International Journal of Chemical Engineering and Applications 192-198 17 Stansbury, P.F., Whitaker, A and Hall, S.J (1995) Principles of fermentation technology, 2nd edition-Chapter 10 Butterworth Heinemann - Pergamon, Oxford pp 277-312 18 Tabao, N.S.C and Monsalud R.G 2010 Characterization and identification of high cellulase-producing bacterial strains from Philippine mangroves Phil J of Syst Biol.Vol : 79-87 19 USP 32, General Notices and Requirements- Applying to Standards, Tests, Assays, and Other Specifications of the United States Pharmacopeia 20 Wesselingh J.A and J Krijgsman Downstream Processing in Biotechnology, Delft Academic Press, 2013 284 MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ THU HỒI SẢN PHẨM TRONG CÁC Q TRÌNH ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SINH HỌC 1.1 Các sản phẩm trình ứng dụng công nghệ sinh học 1.1.1 Công nghệ sinh học gì? 1.1.2 Nội dung khoa học công nghệ sinh học 1.1.3 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học 1.2 Phân loại sản phẩm sinh học 11 1.2.1 Các sản phẩn công nghệ sinh học 11 1.2.2 Phân loại sản phẩm công nghệ sinh học 13 1.2.3 Phân loại sản phẩm cơng nghiệp sinh học 13 1.3 Vai trị tầm quan trọng công nghệ thu hồi sản phẩm q trình cơng nghệ sinh học 22 1.3.1 Nhu cầu sử dụng sản phẩm công nghệ sinh học 22 1.3.2 Nhu cầu phát triển sản phẩm 24 1.4 Các yêu cầu trình thu hồi sản phẩm sinh học 28 1.4.1 Đặc điểm chung trình phân tách sinh học 29 1.4.2 Nguyên lý xây dựng trình phân tách sinh học 32 1.4.3 Những vấn đề tồn ảnh hƣởng đến trình thu hồi 33 Chủ đề ơn tập chương 35 Chƣơng KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG THU HỒI SẢN PHẨM SINH HỌC 37 2.1 Thu hồi/loại bỏ sinh khối tiểu phần khơng hịa tan 37 2.1.1 Phân tách tế bào môi trƣờng 37 2.1.2 Kỹ thuật sử dụng để thu nhận hay loại bỏ sinh khối 37 2.2 Phá vỡ tế bào 38 285 5 2.2.1 Cấu trúc thành màng tế bào 38 2.2.2 Phƣơng pháp phá vỡ tế bào cho sản phẩm nội bào 39 2.2.3 Một số kỹ thuật thƣờng sử dụng phá vỡ tế bào 40 2.3 Kỹ thuật ly tâm 44 2.3.1 Nguyên lý chung kỹ thuật ly tâm 44 2.3.2 Các loại phân tách ly tâm 48 2.3.3 Các dạng máy ly tâm sử dụng phịng thí nghiệm 50 2.3.4 Các dạng máy ly tâm sử dụng sản xuất công nghiệp 52 2.4 Kỹ thuật lọc 53 2.4.1 Nguyên lý ứng dụng kỹ thuật lọc 53 2.4.2 Kỹ thuật lọc màng 55 2.4.3 Kỹ thuật lọc tiếp tuyến 56 2.4.4 Các loại màng lọc siêu lọc ứng dụng 58 2.5 Kỹ thuật sắc ký 61 2.5.1 Đại cƣơng sắc ký 61 2.5.2 Sắc ký cột 66 2.5.3 Sắc ký trao đổi ion 69 2.5.4 Kỹ thuật sắc ký lực 70 2.5.5 Sắc ký lọc gel/Sắc ký loại bỏ kích thƣớc 76 2.5.6 Sắc ký giấy sắc ký lớp mỏng 81 2.5.7 Sắc ký hấp phụ 91 2.5.8 Sắc ký tƣơng tác kỵ nƣớc 95 2.6 Kỹ thuật phân tách pha 96 2.6.1 Phân tách pha lỏng-lỏng 96 2.6.2 Phân tách pha lỏng-rắn 101 2.7 Loại bỏ độc tố endotoxin 102 2.8 Thẩm tích thẩm thấu ngược 106 Chủ đề ôn tập chương 109 286 Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU HỒI SẢN PHẨM SINH HỌC 111 3.1 Các phương pháp sắc ký 111 3.1.1 Kỹ thuật sắc ký ứng dụng phân tích 111 3.1.2 Phƣơng pháp sắc ký giấy 115 3.1.3 Phƣơng pháp sắc ký lớp mỏng 120 3.1.4 Phƣơng pháp sắc ký lỏng cao áp 123 3.2 Các phương pháp phân tích hoạt tính sinh học 128 3.2.1 Phƣơng pháp xác định hoạt tính sinh học 128 3.2.2 Phƣơng pháp xác định hoạt tính enzym 131 3.2.3 Phƣơng pháp xác định hoạt tính kháng sinh 136 3.3 Các phương pháp phân tích hóa lý 141 3.3.1 Đặc trƣng tính chất hóa lý sản phẩm sinh học 141 3.3.2 Phổ tử ngoại (UV) 142 3.3.3 Phổ hồng ngoại (IR) 143 3.3.4 Khối phổ (MS) 146 3.4 Phương pháp đánh giá độc tính 149 3.5 Phương pháp đánh giá độ tinh 151 3.5.1 Đánh giá độ tinh enzym/protein 151 3.5.2 Đánh giá độ tinh chất có hoạt tính sinh học 154 3.6 Các yêu cầu chung độ tinh số sản phẩm sinh học 156 Chủ đề ôn tập chương 158 Chƣơng THU HỒI CÁC SẢN PHẨM DẠNG THÔ TỪ DỊCH LÊN MEN VI SINH VẬT 160 4.1 Thu hồi sinh khối vi sinh vật 160 4.1.1 Kỹ thuật tách sinh khối vi sinh vật 160 4.1.2 Một số quy trình thu nhận sinh khối vi sinh vật 162 4.2 Thu hồi enzym/protein 166 287 4.2.1 Nguyên tắc thu nhận enzym vi sinh vật 166 4.2.2 Thu nhận enzym ngoại bào từ dịch lên men 168 4.2.3 Thu nhận enzym nội bào từ dịch lên men 169 4.3 Thu hồi sản phẩm trao đổi chất bậc 175 4.3.1 Các chất trao đổi sơ cấp (bậc một) 175 4.3.2 Quá trình sản xuất thu hồi axit glutamic (mỳ chính) 176 4.3.3 Q trình cơng nghệ lên men sản xuất axit citric 178 4.4 Thu hồi sản phẩm trao đổi chất bậc 180 4.4.1 Thu nhận sản phẩm bậc hai môi trƣờng nuôi cấy 180 4.4.2 Tách chiết thu nhận kháng sinh thô 183 Chủ đề ôn tập chương 190 Chƣơng TINH SẠCH SẢN PHẨM SINH HỌC ỨNG DỤNG 191 5.1 Tinh sản phẩm sinh học ứng dụng y dược 191 5.1.1 Sự cần thiết phải tinh sản phẩm 191 5.1.2 Tinh enzym/protein ứng dụng y dƣợc 195 5.1.2 Tinh kháng sinh sản phẩm thuốc 208 5.1.3 Tinh kháng thể 212 5.2 Loại bỏ bất hoạt virus 216 5.3 Khử trùng, loại bỏ tạp nhiễm vi sinh vật 218 Chủ đề ơn tập chương 220 Chƣơng HỒN THIỆN SẢN PHẨM CÔNG NGHỆ SINH HỌC 222 6.1 Một số kỹ thuật hoàn thiện sản phẩm 222 6.1.1 Kỹ thuật đông khô 222 6.1.2 Kỹ thuật sấy phun 228 6.1.3 Kỹ thuật kết tinh 232 6.1.4 Tẩy màu 239 6.1.5 Đóng gói 241 6.2 Hồn thiện số sản phẩm cơng nghệ sinh học 247 288 6.2.1 Hồn thiện sản phẩm vi sinh vật 243 6.2.2 Hoàn thiện sản phẩm enzym/protein 244 6.2.3 Hoàn thiện tạo sản phẩm axit amin 245 6.2.4 Hoàn thiện sản phẩm kháng sinh dƣợc phẩm 246 6.3 Bảo quản sản phẩm sinh học 248 6.3.1 Nguyên lý bảo quản sản phẩm sinh học 248 6.3.2 Bảo quản sản phẩm thực phẩm 249 6.3.2 Bảo quản sản phẩm enzym/protein 250 6.3.4 Bảo quản sản phẩm dƣợc phẩm 256 Chủ đề ôn tập chương 260 Chƣơng ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA Q TRÌNH THU HỒI VÀ HỒN THIỆN SẢN PHẨM 262 7.1 Hiệu trình sản xuất 262 7.1.1 Hiệu kỹ thuật hiệu kinh tế 262 7.1.2 Hiệu trình sản xuất 262 7.2 Đánh giá hiệu trình sản xuất 265 7.2.1 Đánh giá hiệu kỹ thuật trình sản xuất 265 7.2.2 Đánh giá hiệu kinh tế trình sản xuất 266 7.3 Đánh giá hiệu kinh tế trình sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học 269 7.3.1 Vấn đề ứng dụng tiêu đánh giá hiệu sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học (Bài tốn ứng dụng) 269 7.3.2 Tính tốn hiệu kinh tế trình sản xuất 275 7.3.3 Hiệu kinh tế q trình thu hồi cơng nghệ sinh học 279 Chủ đề ôn tập chương 281 TÀI LIỆU THAM KHẢO 283 MỤC LỤC 285 289