Tài liệu Giáo Trình vi sinh vật học công nghiệp pdf

0 BIỀN VĂN MINH (CHỦ BIÊN) KIỀU HỮU ẢNH, PHẠM NGỌC LAN, ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ Giáo trình điện tử VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP HUẾ, 2008 MỤC LỤC Chương1: MỞ ĐẦU Đối tƣợng vi sinh vật học công nghiệp…………………………… Nội dung ………………………………………………………………… Lƣợc sử phát triển VSVHCN ……………………………………… 4.Vị trí yêu cầu mơn học ……………………………………………… Vai trị VSV đời sống ………………………………………… Câu hỏi ôn tập ……………………………………………………………… Chương2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP Đặc điểm vi sinh vật ……………………………………………… Cơ sở hóa sinh vi sinh vật học cơng nghiệp …………………… Cơ sở di truyền vi sinh vật ……………………………………………… Câu hỏi ôn tập……………………………………………………………… Chương 3: SỰ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Phân loại sản phẩm theo tính chất thƣơng mại ……………………… Phân loại khác …………………………………………………………… Sinh trƣởng tạo thành sản phẩm q trình cơng nghiệp Các loại vaccine ………………………………………………………… Câu hỏi ôn tập ……………………………………………………………… Chương 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT LÊN MEN Quá trình lên men ……………………………………………………… Các nhóm VSV cơng nghiệp chủ yếu ………………………………… Nguồn dinh dƣỡng nguyên liệu ban đầu ………………………… Khử trùng Các phƣơng pháp nuôi Câu hỏi ôn tập Chương 5: SẢN XUẤT SINH KHỐI VI SINH VẬT Giống ban đầu cho quy trình lên men VSV ……………………… Sản xuất men bánh mì ………………………………………………… VSV dùng cho mục đích y học kỹ thuật ……………………… Protein đơn bào (SCP) ………………………………………………… Câu hỏi ôn tập ……………………………………………………………… Chương 6: CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN Lên men ethanol ………………………………………………………… Lên men lactic …………………………………………………………… 3.Lên men 2,3 butadiol …………………………………………………… Lên men butanol -aceton ……………………………………………… Câu hỏi ôn tập ……………………………………………………………… Chương 7: CÁC CHẤT TRAO ĐỔI BẬC MỘT Nguyên lý tổng hợp thừa ……………………………………… Trang 4 7 10 13 18 36 38 40 45 47 49 53 56 60 62 62 66 67 67 71 76 80 82 93 98 100 101 103 2 Các phƣơng pháp tạo thể đột biến tổng hợp thừa ……………… Amino acid ……………………………………………………………… Sản xuất purine nucleotide ………………………………………… Vitamin …………………………………………………………………… Câu hỏi ôn tập……………………………………………………………… Chương 8: CÁC CHẤT TRAO ĐỔI BẬC HAI Các chất kháng sinh …………………………………………………… Các độc tố nấm ………………………………………………………… Câu hỏi ôn tập ……………………………………………………………… Chương 9: CÁC SẢN PHẨM CHUYỂN HĨA SINH HỌC Sự chuyển hóa steroid ……………………………………………… Sự tạo thành phenyl-acetylcarbinol …………………………………… Sản phẩm từ vi khuẩn acetic …………………………………………… Sản xuất vitamin C ……………………………………………………… Sản xuất dextran ………………………………………………………… Sản xuất arcrylamide …………………………………………………… Câu hỏi ôn tập ……………………………………………………………… Chương 10 : XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG BIỆN PHÁP SINH HỌC Vi sinh vật học nguồn nƣớc uống …………………………… Xử lý nƣớc thải …………………………………………………………… Lên men methane ……………………………………………………… Câu hỏi ôn tập Chương11 : SỰ TUYỂN KHOÁNG NHỜ VI SINH VẬT Các vi khuẩn ngâm chiết ………………………………………………… Cơ chế tác động vi khuẩn ………………………………………… Một số trình thủy luyện kim sinh học ……………………………… Sự tích lũy kim loại nhờ vi khuẩn tảo ……………………………… Câu hỏi ôn tập ……………………………………………………………… Chương 12: CÔNG NGHỆ VI SINH VÀ BẢO VỆ MÔI TRƢỜNG 1.Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng ………………………………… 2.Một số biện pháp vi sinh góp phần bảo vệ mơi trƣờng ……………… 3.Công nghệ vi sinh cố định đạm phân vi sinh vật ………………… 4.Công nghệ xử lý rác thải hữu ……………………………………… Câu hỏi ôn tập ……………………………………………………………… Chương 12: CÁC BÀI TẬP CƠ SỞ VÀ NÂNG CAO Phần câu hỏi ……………………………………………………………… Trả lời số câu hỏi …………………………………………………… Tài liệu tham khảo …………………………………………………… 103 105 108 113 114 117 122 128 130 132 133 134 138 141 142 144 146 150 155 157 159 160 164 185 167 169 170 183 186 188 196 199 NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT ADP Adenosine diphosphate AMP Adenosine monophosphate APG Acid 3-phosphoglyceric A-1,3-DPG Acid 1,3 diphosphoglyceric ATP Adenosine triphosphate A-6PA Acid 6-penicillanic CoA Coenzyme A CKS Chất kháng sinh DNA Deoxiribonucleic acid R-1,5-DP Ribulose-1,5-diphosphate R-5-P Ribulose-5-diphosphate RNA Ribonucleic acid VSV Vi sinh vật F-6-P Fructose-6-phosphate FAD Flavin adenine dinucleotide G-6-P Glucose-6-phosphate GAP Glyceraldehyde phosphate KDPG 2-Keto-3-deoxi-6-phosphogluconate N Nitrogen NAD Nicotinamid adenine dinucleotide dạng oxi hóa NADH Nicotinamid adenine dinucleotide dạng khử NADP Nicotinamid adenine dinucleotide phosphat dạng oxi hóa NADPH Nicotinamid adenine dinucleotide phosphat dạng khử PP Pentose phosphate X-5-P Xylulose-5-phosphate Chƣơng 1: MỞ ĐẦU I ĐỐI TƢỢNG CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP Khái niệm chung Vi sinh vật học công nghiệp (Industrial Microbiology) ngành Vi sinh học, vi sinh vật (VSV) đƣợc xem xét để sử dụng công nghiệp lĩnh vực khác kỹ thuật Vi sinh vật học công nghiệp (VSVHCN) giải hai vấn đề trái ngƣợc nhau: Một mặt, dẫn tới làm rõ hồn tồn tính chất sinh học sinh hoá thể sống nguyên nhân trực tiếp chuyển hố hố học, chất có chất hay chất Trong trƣờng hợp này, VSVHCN sử dụng VSV để thu sản phẩm quan trọng có giá trị thực tế đƣờng lên men Phƣơng pháp sinh hoá để thu nhiều sản phẩm phƣơng pháp có lợi kinh tế Mặt khác, biết lên men VSV gây không luôn diễn theo hƣớng nhƣ mong muốn Sự phá huỷ trình lên men thƣờng xảy hoạt động VSV lạ Trong trƣờng hợp này, điều quan trọng phải biết VSV gây q trình cần thiết mà cịn phải biết VSV có hại gây tổn thất cho sản xuất Nhà VSVHCN có kinh nghiệm phải khám phá chúng, làm rõ tính chất có hại chúng gây tìm phƣơng pháp đấu tranh với chúng Đối tƣợng nghiên cứu 2.1 Các nhóm vi sinh vật sử dụng vi sinh vật công nghiệp 1) Virus 2) Vi khuẩn cổ khuẩn (Eubacteria Archaea) 3) Vi nấm (Microfungi) 4) Vi tảo (Microalgae) 5) Nguyên sinh động vật (Protozoa) 2.2 Quy trình cơng nghệ sản xuất số sản phẩm đối tƣợng vi sinh vật Mục tiêu môn học Sau học xong học phần này, sinh viên cần hiểu đƣợc ứng dụng công nghiệp quan trọng vi sinh vật, khác biệt công nghệ sinh học vi sinh vật đại vi sinh vật học truyền thống, phân biệt đƣợc nhóm sản phẩm q trình cơng nghiệp, vai trị vi sinh vật tuyển khoáng xử lý nƣớc thải đƣờng sinh học II NỘI DUNG Các giai đoạn phát triển vi sinh vật học công nghiệp Cơ sở khoa học vi sinh vật học công nghiệp Phân loại sản phẩm Phƣơng pháp kỹ thuật lên men Sự thu nhận sinh khối tế bào Các sản phẩm lên men Các chất trao đổi bậc Các chất trao đổi bậc Các sản phẩm chuyển hóa 10 Xử lý nƣớc thải biện pháp sinh học 11 Sự tuyển khoáng nhờ vi sinh vật III LƢỢC SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP Sự phát triển VSVHCN đƣợc chia thành giai đoạn chính: Giai đoạn 1: Giai đoạn trƣớc Pasteur (đến 1865) Con ngƣời ứng dụng tiềm VSV sản xuất sản phẩm chƣa nhận thức đƣợc tồn chúng tự nhiên : + Sản xuất đồ uống chứa rƣợu nhƣ rƣợu, rƣợu vang, bia, … + Sản xuất tƣơng, nƣớc mắm… + Sản xuất thực phẩm lên men nhƣ muối chua rau quả, ủ chua thức ăn cho gia súc… Tuy số trình đƣợc thực quy mô rộng rãi, nhƣng thành cơng cịn phụ thuộc vào ngẫu nhiên hay kinh nghiệm ngƣời thợ giỏi truyền cho hệ sau Vai trò VSV chuyển hoá chất hữu đƣợc ngƣời biết đến khoảng 100 năm trƣớc Giai đoạn 2: Giai đoạn phát triển công nghiệp lên men tính đến 1940, bao gồm cơng trình Pasteur (1865) lên men học thuyết mầm bệnh, Pasteur đề phƣơng pháp trùng Pasteur để tiệt trùng rƣợu nho, bia mà không làm hỏng phẩm chất Phƣơng pháp có ứng dụng lớn Bởi Pasteur đƣợc coi ngƣời sáng lập VSVHCN; Sự phát triển hoá sinh học với kiến thức trao đổi chất trung gian, làm chủ ngày nhiều enzyme Việc nghiên cứu sử dụng chủng nấm men khiết Saccharomyces carlsbergensis sản xuất bia (Emil Christian Hansen, 1883) xem bƣớc mở đầu cho công nghiệp lên men dựa sở khoa học Hình 1.1: Các nhà vi sinh vật học công nghiệp tiền bối Louis Pasteur (1822-1895); Emil Christian Hansen (1842 - 1909); Năm 1898 Eduard Buchner nghiên cứu tác dụng lên men nhiều nấm men, vạch mối liên hệ nấm men hoá học men, ứng dụng hoạt động nấm men vào sản xuất tiếp giống ngồi Ơng nghiền nấm men lấy dung dịch có men zymase cho lên men rƣợu Nhƣ giai đoạn thứ hai giai đoạn sử dụng hoạt tính VSV- giai đoạn đƣợc đánh dấu việc đặt sở khoa học cho trình sản xuất đồ uống chứa rƣợu Giai đoạn thứ ba: Giai đoạn cơng nghiệp kháng sinh, hóa chất sinh tổng hợp điều khiển đƣợc tính 1941- 1970, 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 ƣu, kỹ thuật học lên men, việc tách tinh chế sản phẩm Giai đoạn thứ ba đƣợc đặc trƣng phát triển công nghiệp VSV độc lập Ngƣời ta điều khiển đƣợc trình siêu tổng hợp VSV tạo đƣợc hàng loạt chủng đột biến VSV Nhờ thành tựu mà ngƣời ta sản xuất quy mô lớn mì chính, lysine nhiều loại amino acid khác Hình 1.2: Alexander Fleming(1881-1955); Francis Crick (1916-2004); James Dewey Watson (1928-); Joshua Lederberg(1925-) Giai đoạn thứ tƣ: (giai đoạn nay) đƣợc đánh dấu phát enzyme cắt giới hạn restrictase plasmid với gắn gene lạ mang thông tin tổng hợp protein đặc biệt vào thể trở thành phƣơng pháp thơng dụng kiểm sốt ngày tốt biểu gene Hình 1.3: 1.Daniel Nathans (1928-1999); 2.Werner Arber(1929-); 3.Hamilton Othanel Smith (1931-); 4.Herbert Boyer (1936-) IV VỊ TRÍ VÀ U CẦU MƠN HỌC Mơn VSVCN nhằm cung cấp cho ngƣời học kiến thức kỹ ứng dụng VSV số quy trình cơng nghệ phục vụ khoa học đời sống ngƣời, giúp cho sinh viên phƣơng pháp nắm bắt đƣợc số quy trình kỹ thuật giải thích đƣợc trình sản xuất sở khoa học, tiến tới chủ động hƣớng dẫn gíup đỡ số sở sản xuất trƣờng hợp cần thiết, đồng thời cung cấp thêm kiến thức sâu, rộng VSV học ứng dụng, góp phần đẩy mạnh sản xuất, tăng thêm cải vật chất, cải thiện đời sống cho nhân loại V Vai trò vi sinh vật đời sống Hình 1.4 Một số ích lợi VSV nơng nghiệp, thực phẩm Hình 1.5 Ứng dụng vi sinh vật công nghiệp -Đại đa số vi sinh vật “bạn”: + Về nơng nghiệp: cố định đạm cho trồng; tuần hồn chất dinh dƣỡng đất; giúp gia súc tiêu hóa cỏ, rơm thành thịt… + Về thực phẩm: tạo thực phẩm lên men (bia, rƣợu, fomage, yaourt…); kéo dài thời gian bảo quản; tạo phụ gia thực phẩm… + Về công nghiệp: tạo dung môi hữu cơ, chất dinh dƣỡng, vitamin, sinh khối… + Về y tế: sản xuất kháng sinh, giúp ổn định hệ vi khuẩn đƣờng ruột + Về môi trƣờng: phân hủy chất thải, cải thiện môi trƣờng bị ô nhiễm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ… + Về lƣợng: tạo khí methane dùng làm nhiên liệu; tạo H2 từ lƣợng ánh sáng nguồn lƣợng vô cơ, hữu dùng làm nguồn lƣợng tái sinh tƣơng lai + Có vai trị khơng thể thiếu Công nghệ Sinh học đại - Một sơ vi sinh vật “thù”: + Gây bệnh ngƣời + Gây bệnh vật nuôi + Gây bệnh trồng + Gây hƣ hỏng dụng cụ thiết bị… TÓM TẮT CHƢƠNG Vi sinh vật học công nghiệp (VSVHCN) phận công nghệ sinh học, vi sinh vật đƣợc xem xét để sử dụng công nghiệp lĩnh vực khác kỹ thuật - công nghệ VSVHCN có ứng dụng rộng rãi y dƣợc, lƣơng thực thực phẩm, lƣợng, hóa chất, vật liệu mới, nơng lâm ngƣ nghiệp bảo vệ mơi sinh góp phần cải thiện đáng kể sống ngƣời Nhiều ứng dụng to lớn phía trƣớc * Câu hỏi ôn tập Đối tƣợng nghiên cứu vi sinh vật học cơng nghiệp ? Các giai đoạn phát triển vi sinh vật học công nghiệp ? Giai đoạn phát triển vi sinh vật học công nghiệp đƣợc đánh dấu cơng trình Pasteur (1878) chứng minh vi sinh vật tác nhân lên men, sau cơng trình của: (1883) dùng chủng nấm men khiết Saccharomyces carlsbergensis sản xuất bia, (1898) phát dịch chiết nấm men có khả gây q trình lên men rƣợu ( chứng minh lên men thực chất q trình enzyme) Tại có ngƣời nói vi sinh vật vừa ngƣời bạn thân thiết, vừa kẻ thù nguy hiểm ngƣời * Tài liệu đọc thêm 1.Kiều Hữu Ảnh, 1999.Giáo trình Vi sinh vật học công nghiệp Nxb KH&KT Hà Nội Nguyễn Quang Hào, Vƣơng Trọng Hào, Biền Văn Minh, 1998 Vi sinh vật học công nghiệp, NXBGD Nguyễn Xuân Thành, Nguyễn Bá Hiên, Hoàng Hải, Vũ Thị Hoan, 2006 Giáo trình vi sinh vật học cơng nghiệp, NXBGD 4.Lƣơng Đức Phẩm, 1999 Công nghệ vi sinh vật Nxb NN * Tài liệu tham khảo Kiều Hữu Ảnh, 2006 Giáo trình Vi sinh vật học Lý thuyết tập giải sẵn song ngữ Việt- Anh, phần 1& phần 2, NXB KH&KT, Hà Nội Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty, 1997 Vi sinh vật học NxbGD Phạm Văn Ty, 2006 Công nghệ sinh học tập Công nghệ vi sinh môi trƣờng, NXBGD Prescot Harley Klein, 2002 Microbiology W C Brown publisher, USA http://vietsciences.net http://vietsciences.free.fr http://wikipeda http://wikibooks * Giải thích thuật ngữ Gene đoạn DNA mang chức định trình truyền thông tin di truyền Plasmids (thƣờng) phân tử DNA mạch đơi dạng vịng nằm ngồi DNA nhiễm sắc thể Chúng thƣờng diện vi khuẩn, có sinh vật có nhân thật (eukaryote) (ví dụ nhƣ vịng micrometre Saccharomyces cerevisiae) Chúng có kích thƣớc khoảng từ đến 400 kilobase pairs (kbp) Chúng diện sao, plasmid lớn, vài trăm tế bào Sinh vật nhân sơ, gọi sinh vật tiền nhân (prokaryote) nhóm sinh vật mà tế bào khơng có màng nhân Đây đặc điểm để phân biệt với tế bào eukaryote Prokaryote khơng có bào quan cấu trúc nội bào điển hình tế bào eukaryote Hầu hết chức bào quan nhƣ ty thể, lục lạp, máy Golgi đƣợc tiến hành màng sinh chất Sinh vật nhân chuẩn (eukaryote), gọi sinh vật nhân thực, sinh vật nhân điển hình sinh vật có nhân thức sinh vật gồm tế bào phức tạp, vật liệu di truyền đƣợc đặt nhân có màng bao bọc Vi sinh vật : sinh vật đơn bào có kích thƣớc nhỏ, khơng quan sát đƣợc mắt thƣờng mà phải sử dụng kính hiển vi Thuật ngữ vi sinh vật không tƣơng đƣơng với taxon phân loại khoa học Nó bao gồm virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh v.v ... tƣợng vi sinh vật Mục tiêu môn học Sau học xong học phần này, sinh vi? ?n cần hiểu đƣợc ứng dụng công nghiệp quan trọng vi sinh vật, khác biệt công nghệ sinh học vi sinh vật đại vi sinh vật học truyền... ĐỐI TƢỢNG CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP Khái niệm chung Vi sinh vật học công nghiệp (Industrial Microbiology) ngành Vi sinh học, vi sinh vật (VSV) đƣợc xem xét để sử dụng công nghiệp lĩnh vực... Chương2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VI SINH VẬT HỌC CÔNG NGHIỆP Đặc điểm vi sinh vật ……………………………………………… Cơ sở hóa sinh vi sinh vật học công nghiệp …………………… Cơ sở di truyền vi sinh vật ………………………………………………