BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ hóa SINH

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA KHOA HỌC SỰ SỐNG BÀI GIẢNG: CƠNG NGHỆ HỐ SINH Người soạn: ThS Trịnh Đình Khá THÁI NGUYÊN - 2010 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÁNG SINH VÀ KHÁNG SINH BÁN TỔNG HỢP ĐẠI CƯƠNG VỀ KHÁNG SINH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÁN SINH PENICILLIN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT β-LACTAM BÁN TỔNG HỢP ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT KHÁNG SINH 1.1 LƯỢC SỬ NGHIÊN CỨU Thuật ngữ “chất kháng sinh” lần Pasteur Joubert (1877) sử dụng để mô tả tượng kìm hãm khả gây bệnh vi khuẩn Bacillus anthracis động vật nhiễm bệnh Babes (1885) nêu định nghĩa hoạt tính kháng khuẩn chủng đặc tính tổng hợp hợp chất hố học có hoạt tính kìm hãm chủng đối kháng Nicolle (1907) người phát hoạt tính kháng khuẩn Bacillus subtilis có liên quan đến q trình hình thành lồi bào tử Gratia đồng nghiệp (1925) tách từ nấm mốc chế phẩm sử dụng điều trị hiệu bệnh truyền nhiễm da cầu khuẩn ơng người xây dựng hồn thiện phương pháp tìm kiếm phát vi sinh vật sinh tổng hợp chất kháng sinh tự nhiên Năm 1929 thuật ngữ “chất kháng sinh” Alexander Fleming mơ tả cách đầy đủ thức báo cáo chi tiết penicillin Năm 1931, nhà khoa học Mỹ triển khai lên men thành công penicillin theo phương pháp lên men bề mặt Năm 1938 Oxford, Ernst Boris Chain Howara Walter Florey tiếp tục triển khai nghiên cứu ông tinh chế lượng lớn penicillin (1939) đủ để thử nghiệm loạt động vật thí nghiệm Ngày 25/05/1940 penicillin thử nghiệm thành công chuột thức dùng điều trị thành cơng người (1941) nỗ lực cuối nhằm cứu sống thương binh bị nhiễm khuẩn nặng chiến tranh giới thứ hai Trong thập kỷ 40 50 kỷ XX ghi nhận bước tiến vượt bậc ngành công nghệ sản xuất chất kháng sinh non trẻ như: * Khám phá hàng loạt chất kháng sinh như: griseofulvin (1939), gramicidin S (1942), streptomycin (1943), bacitracin (1945), chloramphenicol polymycin (1947), clotetracyclin cephalosporin (1948), neomycin (1949), oxytetracyclin nystatin (1950), erythromycin (1952), cycloserin (1954), vancomycin (1956), kanamycin rifamycin (1957), * Áp dụng phối hợp kỹ thuật tuyển chọn tạo giống tiên tiến tạo biến chủng cơng nghiệp có lực “siêu tổng hợp” chất kháng sinh cao gấp hàng vạn lần chủng ban đầu * Triển khai thành công công nghệ lên men chìm quy mơ sản xuất cơng nghiệp để sản xuất penicillin G (1942) hồn thiện cơng nghệ lên men sản phẩm khác năm * Năm 1959, phát tinh chế sử dụng thành công 6-aminopenicillinic acid (6APA) làm nguyên liệu để sản xuất chất kháng sinh penicillin bán tổng hợp 1.2 KHÁI NIỆM CHẤT KHÁNG SINH • Theo nhà sinh học, kháng sinh hợp chất hoá học vi sinh vật tiết có tác dụng ức chế phát triển hay tiêu diệt cách chọn lọc nhóm vi sinh vật xác định hay tế bào ung thư nồng độ thấp • Cịn nhà hố học muốn định nghĩa kháng sinh sinh phải bao hàm chất tổng hợp hố học có tác dụng diệt khuẩn chất thuộc quinolon “Chất kháng sinh (antibiotic) chất hoá học xác định, khơng có chất enzyme, có nguồn gốc sinh học với đặc tính nồng độ thấp có khả ức chế mạnh mẽ tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh mà đảm bảo an toàn cho người hay động vật điều trị” Tên kháng sinh Vi sinh vật sản xuất kháng sinh Hoạt phổ Penicillin Penicillium chrysogenum Kháng khuẩn Steptomycin Str griseus Kháng khuẩn Tetracyclin Str aureofaciens Kháng khuẩn Chloramphenicol Str venezuela Kháng khuẩn Oxytetracyclin Str rimosus Kháng khuẩn Cephalosporin Cephalosporium acremonium Kháng khuẩn Actinomycin D Str antibioticus Kháng ung thư Bleomycin Str verticillum Kháng ung thư Daunorubicin Str peuceticus Kháng ung thư Mitomycin C Streptomyces sp Kháng ung thư Kanamycin Str kanamyceticus Kháng khuẩn Nystatin Str noursei Kháng nấm Fumagillin A fumigatus Kháng protozoa Griseofulvin P griseofulvum Kháng nấm Nistin Streptococcus sp Bảo quản thực phẩm Natamycin Streptococcus sp Bảo quản thực phẩm Rifamycin Nocardia sp Kháng lao Polymycin B Bacillus polymyxa Kháng khuẩn Gentamycin Micromonospora sp Kháng khuẩn 1.3 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA CHẤT KHÁNG SINH • • • • • Làm rối loạn cấu trúc thành tế bào Rối loạn chức điều tiết trình vận chuyển vật chất qua màng tế bào chất Làm rối loạn hay kiềm toả trình sinh tổng hợp protein Rối loạn trình tổng hợp DNA Hoặc tương tác đặc hiệu với giai đoạn định chuyển hoá trao đổi chất Đánh giá hiệu ứng dụng chất kháng sinh: • hoạt tính kháng sinh đặc hiệu, phổ kháng sinh • đáp ứng phản hồi mầm bệnh kháng sinh • phản ứng phụ thuốc, đường cấp thuốc • chuyển hoá thuốc thể bệnh nhân, đường hướng đào thải thuốc • tương tác qua lại loại thuốc sử dụng phối hợp 1.4 CHỨC NĂNG SINH HỌC CỦA CHẤT KHÁNG SINH • Việc tổng hợp chất kháng sinh nhằm tạo ưu phát triển cạnh tranh có lợi cho chủng sinh kháng sinh, nhờ chúng tiêu diệt hay kìm hãm phát triển lồi khác tồn phát triển hệ sinh thái cục • Việc tổng hợp chất kháng sinh đặc tính cần thiết đảm bảo cho khả sống sót cao cho chủng vi sinh chất kháng sinh tự nhiên, lồi có bào tử 1.5 ĐIỀU CHỈNH SINH TỔNG HỢP CHẤT KHÁNG SINH • Tuyển chọn tạo chủng công nghiệp siêu tổng hợp chất kháng sinh • Tối ưu hố thành phần mơi trường, thiết bị lên men điều kiện vận hành trình lên men 1.5.1 Tuyển chọn tạo chủng công nghiệp siêu tổng hợp chất kháng sinh Trải qua giai đoạn bản: • Phân lập từ tự nhiên • Nghiên cứu xử lý tạo biến chủng siêu tổng hợp có hoạt lực cao • Tuyển chọn sơ • Tuyển chọn lại thu chủng có hoạt tính cao quy mơ phịng thí nghiệm • Thử nghiệm tuyển chọn lại quy mô sản xuất thử nghiệm pilot • Thử nghiệm chọn lọc lại chủng phù hợp với điều kiện lên men sản xuất lớn cơng nghiệp 1.5.2 Tối ưu hố thành phần môi trường, thiết bị lên men điều kiện vận hành q trình lên men • nguồn cacbon thường lựa chọn là: loại bột hạt ngũ cốc, cám mỳ, cám gạo, vỏ khoai tây, rỉ đường, loại đường, dextrin, glyxerin, axit axetic, dịch thuỷ phân gỗ, • Nguồn nitơ là: bột đậu tương, nước chiết ngô, cao nấm men, nước chiết nấm men, pepton, loại muối vô chứa nitơ, • Các ngun tố khống đa lượng như: P, S, Mg, Fe, Ca, K, Na Các nguyên tố vi lượng như: Cu, Zn, Co, Mo, chất kích thích sinh trưởng • Khai thác hiệu tác động yếu tố khác môi trường như: nhiệt độ lên men tối ưu, pH, nồng độ oxy, oxy hố - khử, cường độ sục khí, cường độ khuấy trộn dịch lên men, Một số phương pháp làm tăng độ cồn • dùng chất hút ẩm (như vơi sống, photphat kali, sunfat đồng) • phương pháp chưng cất thường, chưng chân không áp suất thấp (0,0525 atm) • Phương pháp chưng luyện đẳng phí: Đây phương pháp cho thêm cấu tử thứ ba (benzen, clorofooc, toluen ) vào nhằm thay đổi độ bay tương đối hai cấu tử hệ ban đầu Có nghĩa thêm cấu tử thứ ba vào, tạo thành với cấu tử dễ bay (hay với hai cấu tử) dung dịch đẳng phí có độ bay lớn sản phẩm đáy tháp cấu tử dạng nguyên chất • Phương pháp hấp phụ rây phân tử CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL TỪ NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE Nguyên liệu Lignocellulose Các giai đoạn sản xuất ethanol 4.1 THUỶ PHÂN BẰNG ACID ĐẶC Công nghệ dựa việc sử dụng axits đặc để phá huỷ cấu trúc tinh thể cellulose sau thuỷ phân axit lỗng Các khâu tách axit khỏi đường, thu hồi cô đặc axit cơng đoạn mấu chốt qui trình Trong cơng nghệ này, axit đặc phá huỷ liên kết hydro mạch cellulose chuyển chúng sang trạng thái vơ định hình Sau đó, cellulose hình thành trạng thái gelatin với axit trở lên mẫn cảm với phản ứng tự thuỷ phân Khi pha loãng với nước tác động nhiệt, cellulose nhanh chóng bị thuỷ phân thành glucose Hình 3: Sơ đồ hệ thống sản xuất ethanol công nghệ thủy phân dùng axit đặc (Arkenol - Hoa Kỳ) • Trong qui trình này, sinh khối thực vật có hàm ẩm 10% xử lý axit sunfuric nồng độ 70 – 77% Lượng axit sử dụng so với sinh khối 1,25:1 nhiệt độ giữ mức 50oC Sau nước bổ sung để pha lỗng axit tới nồng độ 20 – 30% gia nhiệt tới 100oC, giữ thời gian 1h Dịch dạng gel lấy khỏi bể phản ứng lọc ép để lấy dịch đường axit phần chất rắn lại tái thuỷ phân lần hai Dịch đường axit phân tách sử dụng cột sắc ký Cơng đoạn lên men chuyển hố đường thành ethanol với hiệu suất 85% với đường xylose 92% với glucose Hãng Arkenol tuyên bố thu hồi 97% axit qui trình 4.2 THUỶ PHÂN BẰNG ACID LỖNG Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống sản xuất ethanol công nghệ thuỷ phân dùng axit loãng Trong giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, nguyên liệu xử lý dung dịch axit sunfuric 0,7% nhiệt độ 190oC với thời gian phút Giai đoạn 2: thực 215oC với nồng độ axit 0,4% thời gian phút Dịch thủy phân từ trình thu hồi, trung hoà lên men tạo ethanol Cellulose lignin lại dạng rắn sử dụng làm nhiên liệu cho sản xuất 4.3 THUỶ PHÂN BẰNG ENZYME Hệ enzyme tham gia chế thủy phân cellulose • Quy trình sản xuất:  Xử lý sơ nguyên liệu axit, kiềm, nhiệt độ nhằm đảm bảo khả tiếp cận enzyme tới liên kết phân tử cellulose  Công nghệ SHF: thủy phân lên men riêng biệt Sản xuất enzyme Cắt/nghiền nhỏ Xử lý sơ axit loãng Dịch thủy phân hemicellulose (đường xylose) Thủy phân cellulose enzyme Dịch thủy phân cellulose (đường glucose) Sơ đồ tóm tắt quy trình cơng nghệ SHF Xử lý bã thải rắn Lên men Thu hồi ethanol • Cơng nghệ SSF: thủy phân lên men đồng thời  Giảm số lượng thiết bị: bỏ qua công đoạn thủy phân riêng biệt  Giảm ức chế ngược sản phẩm với enzyme: glucose dung dịch ức chế hoạt động thủy phân cellubiose β-glucosidase  Hiệu suất chuyển hóa cellulose thành ethanol tăng 40% (so với SHF) • Quy trình cải biến SSCF: lên men đồng thời nhiều loại đường Cắt/nghiền nhỏ Xử lý sơ axit loãng Sản xuất enzyme Xử lý bã thải rắn Đồng thời đường hóa lên men Sơ đồ tóm tắt quy trình SSCF Thu hồi ethanol Những khó khăn quy trình công nghệ?  Sự khác nhiệt độ tối ưu cho hoạt động enzyme cellulase (45 45 50oC) nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật lên men ethanol (28 28-35oC) C)  Một số thành phần dịch thủy phân phân,, ethanol có tác động ức chế enzyme cellulase cellulase  Giá thành cellulase cao Những phương hướng khắc phục? ...CHƯƠNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÁNG SINH VÀ KHÁNG SINH BÁN TỔNG HỢP ĐẠI CƯƠNG VỀ KHÁNG SINH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÁN SINH PENICILLIN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT β-LACTAM BÁN TỔNG HỢP ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT KHÁNG SINH. .. KHÁNG SINH DÙNG TRONG Y HỌC Bước 1: Phân lập vi sinh vật sinh kháng sinh dạng khiết Chọn lọc chủng có hoạt phổ kháng sinh mong muốn Định tên chủng vi sinh vật tuyển chọn Bước 2: Nuôi cấy vi sinh. .. thành công 6-aminopenicillinic acid (6APA) làm nguyên liệu để sản xuất chất kháng sinh penicillin bán tổng hợp 1.2 KHÁI NIỆM CHẤT KHÁNG SINH • Theo nhà sinh học, kháng sinh hợp chất hoá học vi sinh