4 Chương 1 Mở đầu 1. Đối tượng, nhiệm vụ, nội dung của vi sinh vật học công nghiệp Vi sinh vật học công nghiệp (Industrial Microbiology) là một ngành của Vi sinh học, trong đó vi sinh vật (VSV) được xem xét để sử dụng trong công nghiệp và những lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật. Vi sinh vật học công nghiệp (VSVHCN) giải quyết hai vấn đề chính trái ngược nhau: •Một mặt, nó dẫn tới làm rõ hoàn toàn những tính chất sinh học và sinh hoá của những cơ thể sống là nguyên nhân cơ bản và trực tiếp của sự chuyển hoá hoá học, những chất có ở cơ chất này hay cơ chất kia. Trong trường hợp này, VSVHCN sử dụng những VSV để thu những sản phẩm quan trọng và có giá trị thực tế bằng con đường lên men. Phương pháp sinh hoá để thu nhiều sản phẩm là phương pháp duy nhất có lợi về kinh tế. •Mặt khác, chúng ta cũng biết sự lên men do VSV gây ra không luôn luôn diễn ra theo một hướng như mong muốn. Sự phá huỷ một quá trình lên men thường xảy ra do sự hoạt động của những VSV lạ. Trong trường hợp này, điều rất quan trọng là không những phải biết những VSV gây ra quá trình cần thiết mà còn phải biết cả những VSV có hại gây tổn thất cho sản xuất. Nhà VSVHCN có kinh nghiệm phải khám phá ra chúng, làm rõ tính chất có hại do chúng gây ra và tìm ra những phương pháp đấu tranh với chúng. 1.1. Mục tiêu môn học Sau khi học xong học phần này, sinh viên cần hiểu được các ứng dụng công nghiệp quan trọng của vi sinh vật, sự khác biệt giữa công nghệ sinh học vi sinh vật hiện đại và vi sinh vật học truyền thống, phân biệt được các nhóm sản phẩm và quá trình công nghiệp, vai trò của vi sinh vật trong tuyển khoáng và trong xử lý nước thải bằng con đường sinh học. 1.2. Mô tả môn học VSVHCN là một bộ phận quan trọng trong công nghệ sinh học, là môn khoa học nghiên cứu những hoạt động sống của vi sinh vật để áp dụng nó một cách tốt nhất vào các quy trình sản xuất ở quy mô công nghiệp và các lĩnh vực khác nhau của kĩ thuật. VSVHCN là một ngành khoa học mới phát triển, nhưng do ý nghĩa quan trọng của nó về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn nên đã phát triển hết sức nhanh chóng. 5 2. Lược sử phát triển của vi sinh vật học công nghiệp Sự phát triển của VSVHCN được chia thành 3 giai đoạn chính: Giai đoạn đầu, tính đến nửa sau thế kỷ 19. Việc ứng dụng tiềm năng của VSV đã có từ buổi đầu của nền văn minh nhân loại như sản xuất rượu vang, bia, dấm. Ở Việt Nam nghề nấu rượu, làm dấm, làm tương cũng có từ rất xa xưa. Tuy một số quá trình được thực hiện ở quy mô rộng rãi, nhưng những sự thành công đó còn phụ thuộc vào sự ngẫu nhiên hay kinh nghiệm của những người thợ giỏi truyền cho các thế hệ sau. Vai trò của VSV trong sự chuyển hoá các chất hữu cơ được con người biết đến khoảng hơn 100 năm trước đây. Những công trình nghiên cứu VSVHCN đã bắt đầu từ Pasteur (1878). Như ta thấy Pasteur đã nghiên cứu nhiều quá trình lên men áp dụng trong sản xuất và học thuyết về mầm bệnh. Pasteur cũng đã đề ra phương pháp thanh trùng Pasteur để tiệt trùng rượu nho, bia mà không làm hỏng phẩm chất. Phương pháp này hiện nay có ứng dụng rất lớn. Bởi vậy Pasteur được coi là người sáng lập ra VSVHCN. Việc nghiên cứu và sử dụng các chủng nấm men thuần khiết trong sản xuất bia (Hansen, 1886) có thể xem là bước mở đầu cho công nghiệp lên men dựa trên cơ sở khoa học. Năm 1898 Buchner cũng đã nghiên cứu tác dụng lên men của nhiều nấm men, đã vạch ra mối liên hệ giữa nấm men và hoá học về men, và ứng dụng hoạt động của nấm men vào sản xuất tiếp giống ngoài. Ông đã nghiền nấm men lấy ra dung dịch có men zymase và cho lên men rượu. Như vậy giai đoạn thứ nhất là giai đoạn sử dụng các hoạt tính của VSV- giai đoạn này được đánh dấu bằng việc đặt cơ sở khoa học cho quá trình sản xuất đồ uống chứa rượu. 1 2 3 Hình 1.1: Các nhà vi sinh vật học công nghiệp tiền bối 1. Louis Pasteur (1822-1895); 2. Gerhard H. A. Hansen (1841-1912); Eduard Buchner (1860- 1917) 3. 6 Giai đoạn thứ hai của VSVHCN được tính đến giữa thế kỷ XX, bao gồm sự xuất hiện của các chất kháng sinh, những tiến bộ về di truyền học trong việc chọn lọc các thể đột biến vi khuẩn, sự nghiên cứu các điều kiện lên men tối ưu, kỹ thuật học lên men, việc tách và tinh chế sản phẩm Giai đoạn thứ ba được đặc trưng bởi sự phát triển của một nền công nghiệp VSV độc lập. Người ta đã điều khiển được các quá trình siêu tổng hợp ở VSV và tạo ra được hàng loạt các chủng đột biến ở VSV. Nhờ các thành tựu này mà người ta đã sản xuất ở quy mô lớn mì chính, lysine và nhiều loại aminoacid khác. 1 2 3 4 Hình 1.2: 1. Alexander Fleming(1881-1955); 2. Francis Crick (1916-2004); 3. James Dewey Watson (1928-); 4. Joshua Lederberg(1925-) Giai đoạn thứ tư (giai đoạn hiện nay) được đánh dấu bằng sự phát hiện ra các enzyme cắt giới hạn restrictase và các plasmid với sự gắn các gene lạ mang các thông tin tổng hợp các protein đặc biệt vào một cơ thể đã trở thành một phương pháp thông dụng và sự kiểm soát ngày càng tốt hơn sự biểu hiện của các gene này. 1 2 3 4 Hình 1.3: 1.Daniel Nathans (1928-1999); 2.Werner Arber(1929-); 3.Hamilton Othanel Smith (1931-); 4.Herbert Boyer (1936-). 7 3. Vị trí và yêu cầu môn học Môn VSVCN nhằm cung cấp cho người học những kiến thức và kỹ năng ứng dụng VSV trong một số quy trình công nghệ phục vụ khoa học và đời sống con người, ngoài ra còn giúp cho sinh viên phương pháp nắm bắt được một số quy trình kỹ thuật và giải thích được quá trình sản xuất trên cơ sở khoa học, tiến tới có thể chủ động hướng dẫn gíup đỡ một số cơ sở sản xuất trong những trường hợp cần thiết, đồng thời cung cấp thêm những kiến thức sâu, rộng về VSV học ứng dụng, góp phần đẩy mạnh sản xuất, tăng thêm của cải vật chất, cải thiện đời sống cho nhân loại. Câu hỏi ôn tập 1. Đối tượng nghiên cứu của vi sinh vật học công nghiệp là gì ? 2. Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật học công nghiệp ? 3. Giai đoạn phát triển đầu tiên của vi sinh vật học công nghiệp được đánh dấu bằng công trình của Pasteur (1878) chứng minh vi sinh vật là tác nhân của sự lên men, và sau đó là các công trình của: (1886) dùng các chủng nấm men thuần khiết trong sản xuất bia, và (1898) phát hiện ra dịch chiết nấm men có khả năng gây ra quá trình lên men rượu ( chứng minh lên men thực chất là một quá trình enzyme). 4. Tại sao có người nói vi sinh vật vừa là người bạn thân thiết, vừa là kẻ thù nguy hiểm của con người. . dung của vi sinh vật học công nghiệp Vi sinh vật học công nghiệp (Industrial Microbiology) là một ngành của Vi sinh học, trong đó vi sinh vật (VSV) được xem xét để sử dụng trong công nghiệp. vi sinh vật học công nghiệp là gì ? 2. Các giai đoạn phát triển của vi sinh vật học công nghiệp ? 3. Giai đoạn phát triển đầu tiên của vi sinh vật học công nghiệp được đánh dấu bằng công trình. khi học xong học phần này, sinh vi n cần hiểu được các ứng dụng công nghiệp quan trọng của vi sinh vật, sự khác biệt giữa công nghệ sinh học vi sinh vật hiện đại và vi sinh vật học truyền thống,