Cong Nghe Vi Sinh Sua

• • • • • • • • •

CAÙC SAÛN PHAÅM CUÛA COÂNG NGHEÄ VIVEÀ SINH I. TOÅNG QUAN CAÙCVAÄT SAÛN PHAÅM CUÛA

CNLM II. SAÛN XUAÁT SINH KHOÁI VI SINH VAÄT III. COÂNG NGHIEÄP VACCINE IV. PROTEIN ÑÔN BAØO (SCP) V. COÂNG NGHIEÄP RÖÔÏU BIA VAØ COÀN NHIEÂN LIEÄU VI. CAÙC METABOLITE SÔ CAÁP VII. COÂNG NGHEÄ THUOÁC KHAÙNG SINH (ANTIBIOTICS) VIII. CHUYEÅN HOAÙ SINH HOÏC IX. CAÙC BIOPOLYMER VAØ BIOSURFACTANT

I. TOÅNG QUAN VEÀ CAÙC SAÛN PHAÅM CUÛA CN VSV 1. Caùc nhoùm saûn phaåm caên baûn • a) Sinh khoái vi sinh vaät : Goàm gioáng ban ñaàu cho saûn xuaát, naám men baùnh mì vaø men chaên nuoâi, vaccine, protein ñôn baøo, phaân vi sinh, cheá phaåm dieät coân truøng, probiotic. • b) Enzyme vi sinh vaät : Phoå bieán hieän nay laø α-amylase, β-glucanase, amyloglycosidase, glucose isomerase, glucose oxidase, cellulase, hemicellulase, pectinase, invertase, protease, lactase, lipase,

•

• •

•

•

c) Caùc saûn phaåm trao ñoåi chaát : Goàm caùc saûn phaåm sô caáp vaø thöù caáp. Saûn phaåm sô caáp goàm röôïu bia, amino acid, acid höõu cô, nucleotide, vitamin,… Saûn phaåm thöù caáp goàm thuoác khaùng sinh, lipid VSV, sidephore, caùc chaát taêng tröôûng vaø chaát coù hoaït tính sinh hoïc. d) Saûn phaåm taùi toå hôïp gen : Caùc rprotein vaø caùc saûn phaåm khaùc ñöôïc taïo ra nhôø caùc teá baøo vi sinh vaät chuyeån gen. e) Saûn phaåm cuûa chuyeån hoaù sinh hoïc goàm caùc steroid, vitamin C, acrylamide,… ñöôïc saûn xuaát baèng teá baøo VSV hoaëc enzyme. f) Caùc biopolymer vaø biosurfactant : Caùc polysacchride ngoaïi baøo nhö xanthan, gellan, alginat vi sinh, celluose vi khuaån,…

Doanh soá caùc saûn phaåm cuûa coâng ngheä vi sinh vaät (1981). TT 1. 2. 3. 4. 5.

Saûn phaåm

Doanh soá (trieäu USD)

Nöôùc giaûi khaùt 36800 (36,8 tæ) (röôïu, bia,…) Fomaùt (Fromage, 23800 (23,8 tæ) Cheese) Khaùng sinh 7900 (7,9 tæ) Coàn coâng nghieäp 3625 (3,625 tæ) (naêm 1983) Sirop giaøu fructose 1360 (1,365 tæ)

Doanh số 6.

Amino acid

1275 (1,275 tæ) 920

7.

Naám men baùnh mì

8.

Caùc steroid

850

9.

Caùc vitamin

560

10.

Citric acid

360

11.

Caùc enzyme

340

12.

Caùc loaïi vaccine

255

13.

Nhöïa deûo polysaccharide (Polysaccharide gums)

100

II. SAÛN XUAÁT SINH KHOÁI VI SINH VAÄT 1. Gioáng ban ñaàu cho caùc quy trình leân men vi sinh vaät Khaâu naøy phaûi ñaûm baûo 2 ñieàu kieän : ∀ − Ñuû soá löôïng teá baøo caàn thieát. ∀ − Caùc teá baøo coù soá löôïng lôùn nhöng hoaït tính khoâng thay ñoåi.

2. Saûn xuaát men baùnh mì Ngay töø naêm 1858, Pasteur phaùt hieän söï taêng nhanh sinh khoái teá baøo naám men khi suïc khí maïnh, nhöng maõi ñeán naêm 1919 quy trình saûn xuaát men baùnh mì môùi ra ñôøi. Men baùnh mì thöïc chaát laø sinh khoái teá baøo naám men Saccharomyces cerevisiae ñöôïc nuoâi trong moâi tröôøng giaøu ñöôøng (maät ræ ñöôøng) coù boå

Công nghệ sản xuất nấm men bánh mì • C6H12O6 → C2H5OH + CO2 • Công nghệ 1: Không cần bột đầu Bột mì → Nhào bột → Định hình → Nướng Nấm men • Công nghệ 2: Cần bột đầu Bột mì → Nhân giống nấm men (6h) → trộn bột….

Công nghệ sản xuất nấm men bánh mì • Nguyên liệu: Mật rĩ (đường mía, củ cải đường) • Cách xử lý mật rĩ: Có 2 phương pháp để xử lý mật rĩ: Phương pháp lạnh và nóng. Lạnh sử dụng H SO Nóng 2

4

3,5 Kg/ 1 tấn mật rĩ

Điều chỉnh pH 4,2 - 5,5

Công nghệ sản xuất nấm men bánh mì • Nguyên liệu→xử lý nguyên liệu→môi trường→lên men→Ly tâm→ Nấm men dạng paste (độ ẩm 70-75%) → nấm men khô . • Môi trường: + Chứa 2-4% đường. + DAP: 0,15- 0,25% + Ure: 0,15- 0,2%

Công nghệ sản xuất nấm men bánh mì • Điều kiện lên men: Nhiệt độ: 25-280C pH: 4,2- 5,4 Thời gian 12- 16 giờ

III. Probiotic (Cheá phaåm trôï sinh) Probiotic, hay coøn goïi laø cheá phaåm trôï sinh, chöùa caùc VSV soáng (voâ haïi hoaëc coù lôïi) coù taùc duïng laøm caûi thieän caân baèng VSV treân cô theå vaät chuû. Probiotic taùc duïng theo 4 cô cheá chuû yeáu: 1) Trung hoaø ñoäc toá

• Bacillus subtilis ñöôïc duøng töø laâu nhö probiotic. B. subtilis ñöôïc söû duïng qua ñöôøng uoáng ñeå phoøng vaø chöõa caùc roái loaïn tieâu hoaù sau khi duøng khaùng sinh, maø nhieàu tröôøng hôïp daãn ñeán tieâu chaûy. • B. subtilis coù taùc duïng hoài phuïc heä vi sinh vaät töï nhieân trong oáng tieâu hoaù cuûa ngöôøi sau khi duøng khaùng sinh keùo daøi hoaëc bò beänh. Baøo töû cuûa B. subtilis coù theå qua ñöôïc raøo chaén ñöôøng tieâu hoaù, moät phaàn baøo töû naûy maàm trong ruoät non vaø sinh soâi trong ñöôøng ruoät. • Ngoaøi ra, moät soá taùc duïng laâm saøng cuûa B. subtilis ñaõ ñöôïc bieát nhö laøm taùc nhaân kích thích mieãn

• Nhieàu cheá phaåm Probiotic B. subtilis hieän coù treân thò tröôøng vôùi nhieàu teân goïi khaùc nhau ñöôïc saûn xuaát ôû trong nöôùc nhö Biosubtyl (Coâng ti Sinh phaåm Y hoïc Biopharco – Ñaø Laït)) vaø Subtyl (XNDPTW 24). • Moät soá cheá phaåm söû duïng naám men (Saccharomyces boulardii) nhö Biolactine,... • Nhieàu loaïi cheá phaåm Probiotic

IV. PROTEIN ÑÔN BAØO(SCP) • Sinh khoái vi khuaån, naám men, naám sôïi, vi taûo coù nhieàu protein neân goïi laø protein ñôn baøo (Single cell protein – SCP). Do lòch söû, khaùi nieäm protein ñôn baøo hieåu theo 2 nghóa khaùc thöôøng : • – Goàm caû sinh khoái cuûa teá baøo vôùi nhieàu chaát chöù khoâng chæ protein.

• Sinh khoái cuûa teá baøo VSV luoân coù haøm löôïng protein cao. Naêng suaát taïo protein cuûa caùc VSV cao hôn nhieàu so vôùi chaên nuoâi nhôø toác ñoä sinh saûn nhanh. Hôn nöõa, caùc VSV coù theå taïo SCP töø caùc nguyeân lieäu reû tieàn, thaäm chí töø nhieàu phuï pheá lieäu coâng,

Công nghệ sản xuất spirulina • Spirulina đã được sử dụng cách đây 600 năm • Protein cao (70-75%), hoàn hảo • Không chứa độc tố, chứa chất chống lão hóa • Quang hợp giống cây xanh. • Điều kiện sản xuất đơn giản: 3000-10000 lux

Công nghệ sản xuất spirulina • Nguyên liệu→ Môi trường dinh dưỡng→ lên men

Công nghệ sản xuất protein đơn bào (SCP) • Có 2 dạng: Tảo đơn bào ( algar), vi khuẩn (Bacteria) • Tảo: Spirulina, chlorella, scenedesmus

Bể nuôi

V. COÂNG NGHIEÄP RÖÔÏU BIA VAØ COÀN NHIEÂN LIEÄU

• Ñaây laø lónh vöïc CNSH chieám tIû leä vaø doanh soá lôùn nhaát. Saûn xuaát coù theå ôû quy moâ coâng nghieäp lôùn vaø ôû gia ñình. Nhieàu saûn phaåm noåi tieáng gaén lieàn vôùi teân caùc daân toäc hay ñòa phöông nhö röôïu Champagne, Cognac, Bordeaux (Phaùp), Vodka (Nga), Sakeù (Nhaät Baûn).

• Ngoaøi ra, ethanol nhieân lieäu laø vaán ñeà noåi coäm ñöôïc taäp trung nghieân cöùu vaø taêng nhanh quy moâ saûn xuaát ñeå tröôùc maét giaûi quyeát nhu caàu caáp thieát khi giaù xaêng daàu leân cao vaø veà laâu daøi seõ thay theá nguoàn naêng löôïng coå sinh caïn kieät.

1. Leân men röôïu •

Leân men caùc ñöôøng thaønh röôïu ñöôïc thöïc hieän bôûi nhieàu loaïi naám men, chuû yeáu laø caùc loaøi Saccharomyces vaø moät soá vi khuaån.

•

Saûn phaåm röôïu coù theå duøng ôû daïng khoâng chöng

Nguyeân lieäu laøm röôïu coù theå chia thaønh 3 nhoùm • – Caùc cô chaát giaøu ñöôøng nhö ræ ñöôøng, nöôùc mía, cuû caûi ñöôøng, nöôùc traùi caây chín,… Söï leân men röôïu xaûy ra tröïc tieáp töø loaïi nguyeân lieäu naøy vaø khoâng caàn xöû lí. • – Tinh boät töø caùc loaïi nguõ coác nhö luùa mì, gaïo, ngoâ,… vaø caùc loaïi cuû nhö khoai taây, saén,… Nguõ coác laø nguoàn nguyeân lieäu lôùn töø troàng troït, nhöng tröôùc khi leân men phaûi ñöôïc thuûy giaûi thaønh ñöôøng, roài môùi leân men ñöôøng thaønh röôïu.

2. Caùc loaïi röôïu bia chuû yeáu Loaïi Khoâng chöng caát : – Bia – Cider (cidre) –Vang(vin, wine) – Sakeâ (sakeù) – Röôïu caàn – Röôïu neáp than 2. Chöng caát : -Röôïuñeá (Vodka) - Röôïu Whisky - Röôïu Rhum

Nguoàn nguyeân lieäu

1.

Malt ( maàm luùa ñaïi maïch). Nöôùc eùp traùi taùo Nho Gaïo loaïi ñaëc bieät Gaïo, neáp, baép, khoai mì,… Neáp than . Gaïo, neáp, khoai taây, khoai mì, baép,… Baép, luùa ñaïi maïch Maät ræ ñöôøng Nho

a) Bia coù theå hieåu ñôn giaûn laø thöùc uoáng coù ñoä röôïu thaáp, suûi boït maïnh (hình 8.3), ñöôïc taïo ra töø leân men röôïu treân dòch malt (haït ñaïi maïch naåy maàm) vôùi hoa houblon (hops). Veà nguyeân lí, bia taïo ra do leân men röôïu neân caùc nguõ coác khaùc ñeàu coù theå duøng laøm bia, nhöng khoâng saùnh ñöôïc vôùi malt. Quaù trình leân men bia trong boàn yeám khí goàm 2 giai ñoaïn :

∀ − Leân men noåi luùc ñaàu khi noàng ñoä ñöôøng cao chuû yeáu do Saccharomyces cerevisiae sinh ra nhieàu khí CO2 laøm suûi boït noåi phía treân vaø leân men chìm do S. carlsbergensis ôû döôùi ñaùy boàn. Ngaøy nay, chæ söû duïng S. carlsbergensis laø gioáng coù vai troø quyeát ñònh chaát löôïng bia. Söï leân men dieãn ra ôû nhieät ñoä 20OC trong 5 – 7 ngaøy.

− UÛ chín bia keùo daøi ít nhaát 4 – 5 tuaàn ñuû ñeå hình thaønh höông vò ñaëc tröng vaø giaûm thieåu hình thaønh caùc chaát baát lôïi nhö chaát taïo muøi khaém. • Hoa houblon taïo vò ñaéng ñaëc tröng vaø coù vai troø öùc cheá vi khuaån trong leân men.

• b) Röôïu caàn (tube wine) laø loaïi khoâng chöng caát vaø coù lòch söû laâu ñôøi, töø cheá ñoä Maãu heä. Nguyeân lieäu ban ñaàu laø boät töø gaïo teû, gaïo neáp, ngoâ (baép), saén (khoai mì),… ñöôïc naáu chín khoâng nhaõo. Veà gioáng thì tröôùc ñaây duøng reã caây coù hoaït tính öùc cheá vi khuaån ñeå caùc loaøi moác phaân huûy boät thaønh ñöôøng vaø

•

c) Röôïu sakeâ (sakeù) laø

loaïi röôïu khoâng chöng caát truyeàn thoáng cuûa daân toäc Nhaät Baûn. Noù coù nhieàu ñaëc ñieåm thuù vò : • – Loaïi röôïu khoâng chöng caát duy nhaát coù ñoä coàn cao ñeán 20 – 22%. • – Chuûng naám men laø Saccharomyces cerevisiae var. sakeù

• Söï leân men sakeâ baét ñaàu baèng coâng ñoïan chuaån bò moác (koji) Aspergillus oryzae, coù taùc duïng ñöôøng hoaù tinh boät gaïo thaønh glucose. Sau ñoù, cho naám men sakeâ vaøo thì söï leân men môùi baét ñaàu. Söï ñöôøng hoaù vaø leân men xaûy ra cuøng luùc taïi cuøng moät thôøi ñieåm, neân goïi laø "söï leân men song song”.

• d) Röôïu vang nho laø loaïi röôïu khoâng chöng caát coù truyeàn thoáng laâu ñôøi (hình 8.6). • Nho thu haùi veà laøm daäp, eùp laáy nöôùc cho vaøo thuøng leân men. Söï leân men ñöôïc thöïc hieän baèng chuûng saûn xuaát S. cerevisiae hay do caùc loaøi naám men töï nhieân nhö Saccharomyces sp, Zygosaccharomyces sp,… • 2 loaïi nho ñoû vaø traéng taïo ra

Tranh coå : haùi nho laøm röôïu

Haùi nho laøm röôïu

•

Champange laø vang nho maø ôû giai ñoaïn cuoái coù boå sung ñöôøng ñeå taïo khí CO2 aùp löïc maïnh.

•

Gaàn ñaây phaùt hieän trong röôïu nho ñoû coù chaát polyphenol töï nhieân RESVERATROL coù taùc duïng laøm taêng tuoåi thoï vaø trong thí nghieäm keùo

e) Röôïu Congac laø moät loaïi ruôïu nho chöng caát. Cognac laø teân moät ñòa phöông ôû Phaùp noåi tieáng nhôø loaïi röôïu naøy. • Ñaëc ñieåm saûn xuaát laø nho ñöôïc leân men thaønh röôïu vang vaø tieáp theo ñöôïc chöng caát. Sau ñoù, röôïu coù ñoä coàn cao cho vaøo thuøng goã soài, röôïu naøy seõ huùt caùc chaát töø goã soài taïo höông vò ñaëc tröng. Röôïu tröõ caøng laâu

• f) Röôïu ñeá hay röôïu traéng vaø vodka ñeàu laø röôïu chöng caát nguyeân chaát coù ñoä coàn cao (40O trôû leân) laøm töø boät. • ÔÛ nöôùc ta, moät soá röôïu noåi tieáng laø röôïu Laøng Vaân (Baéc Ninh), Goø Ñen (Long An), Baøu Ñaù (Bình Ñònh). Nöôùc Nga noåi tieáng vôùi röôïu Vodka.

Caùc loaïi röôïu ñeá noåi tieáng ôû ta

3. Chuyeån hoaù sinh khoái thöïc vaät thaønh ethanol nhieân lieäu

• Beân caïnh vai troø laø moät nöôùc giaûi khaùt, ethanol coøn ñöôïc xem nhö moät nguoàn nhieân lieäu, vaät lieäu ban ñaàu cho saûn xuaát caùc hoaù chaát nhö acetic acid, acetaldehyde, butanol vaø ethylen (chaát trung gian trong coâng nghieäp hoaù daàu). Öu ñieåm cuûa coàn nhieân lieäu laø ít gaây oâ nhieãm.

a) Caùc gioáng vi sinh vaät leân men ethanol nhieân lieäu

• – Naám men S. cerevisiae leân men caùc loaïi ñöôøng glucose, fructose, galactose, maltose, maltriose, xylulose. • – Vi khuaån Zymommonas mobilis leân men glucose, fructose, sucrose. • – Caùc vi naám chòu nhieät coù khaû naêng leân men ethanol töø cellulose : Clostridium thermocellum leân men glucose, cellobiose, cellulose vaø C. thermohydrosulfurium leân men glucose, xylose, sucrose, cellobiose vaø boät.

Caùc chuûng Saccharomyces ñaùp öùng toát nhaát nhöõng ñaëc ñieåm neâu treân. Maëc duø laø gioáng thuaän lôïi cho quaù trình saûn xuaát ethanol liù töôûng, nhöng chuùng chöa söû duïng moät soá ñöôøng khaùc nhö xylose vaø khaû naêng chòu ñöïng noàng ñoä coàn cao haïn cheá.

• Coâng ngheä gen ñaõ taïo ñöôïc chuûng naám men S. cerevisiae leân men caû ñöôøng xylose vaø noù laøm taêng 40% saûn löôïng coàn khi leân men dòch thuûy phaân rôm raï, beï ngoâ. • Zymomonas mobilis laø vi khuaån coù theå duøng trong saûn xuaát ethanol thay theá naám men.

• . Zymomonas mobilis söû duïng glucose taïo thaønh ethanol vôùi toác ñoä nhanh hôn naám men 3 − 4 laàn, saûn löôïng ethanol toái ña theo lí thuyeát laø 97%. • Zymomonas khoâng caàn oxygen vaø noù coù theå phaùt trieån trong moâi tröôøng toái thieåu khoâng coù moät hôïp chaát höõu cô naøo. • Nhieàu gioáng Zymomonas phaùt trieån ñöôïc ôû nhieät ñoä 38 − 40oC. • Zymomonas chòu ñöôïc aùp suaát thaåm thaáu cao, haàu heát caùc gioáng ñeàu phaùt trieån trong dung dòch chöùa 40% glucose (theo khoái löôïng), nhöng khaû naêng chòu ñöïng muoái thaáp, khoâng gioáng naøo chòu ñöôïc noàng ñoä NaCl 2%,

b) Söï can thieäp cuûa KTDT vaøo saûn xuaát ethanol nhieân lieäu Caùc nghieân cöùu chuû yeáu nhaèm thieát keá : • – Caùc chuûng söû duïng lactose ñeå taän duïng phuï phaåm coâng nghieäp söõa. • – Caùc chuûng vi sinh coù khaû naêng chuyeån hoaù xylose maø naám men khoâng ñoàng hoaù. • – Caùc chuûng naám men phaân giaûi tinh boät ñeå leân men boät khoûi phaûi qua ñöôøng hoaù. • – Caùc chuûng VSV ñeå saûn xuaát

• Ngoaøi ra, vaán ñeà quan troïng khaùc laø saûn xuaát enzyme cellulse giaù reû ñeå giaù thaønh ethanol nhieân lieäu ñuû söùc caïnh tranh vôùi xaêng daàu. • Chuyeån hoaù sinh khoái thöïc vaät thaønh ethanol nhieân lieäu laø moät ñieåm noùng cuûa CNSH hieän ñaïi.

Caù c quy trình vi sinh vaä t

Öù ng duïng vaø o coâ ng nghieä p

1. Saû n xuaá t caù c thöïc phaå m leâ n men: nöôù c töông, fromage, nöôù c maé m... 2. Saû n xuaá t vaøsöûduïng sinh khoá i vi sinh vaä t: men baù nh mì, naá m men chaê n nuoâ i , chlorella, spirulina, protein ñôn baø o (SCP). Söû duïng caù c acid ribonucleotid, protein vaøthaø nh phaà n teábaø o khaù c. 3. Caù c cheáphaå m vi sinh vaä t dieä t saâ u, naá m beä nh vaøphaâ n vi sinh. 4. Sinh khoá i vi sinh vaä t -> vaccine 5. Nöôù c giaû i khaù t: röôïu caà n, röôïu ñeá , röôïu sakeù , bia, röôïu vang, röôïu traù i caâ y, whiskey, brandy, caù c röôïu chöng caá t vaøkhoâ ng chöng caá t.

Coâ ng nghieä p thöïc phaå m leâ n men, chaê n nuoâ i , thöïc phaå m thuû y saû n. Coâ ng nghieä p thöïc phaå m vaøthöù c aê n cho chaê n nuoâ i.

Coâ ng nghieä p thöïc phaå m, hoù a döôïc. Noâ ng nghieä p Y teá Coâ ng nghieä p röôïu bia

6. Saû n xuaá t caù c dung moâ i : ethanol, acetone, 7. Saû n xuaá t caù c acid höõ u cô : citric, lactic, acetic, fumaric, itaconic, ... 8. Saû n xuaá t caù c biopolymer (macromolecular polysaccharides): dextran, levan, xanthan, mannan, caragheenin.... 9. Saû n xuaá t caù c chaá t khaù ng sinh: penicillin, caù c penicillin toå ng hôïp, streptomycin, kanamycin, bleomycin, actinomycin. Blasticidin S, kasugamycin. Thiostrepton, thiopeptin. 10. Saû n xuaá t caù c chaá t coùhoaït tính sinh hoïc: - Caù c vitamin B2, B6, B12, C - Caù c alkaloids - Caù c chaá t öù c cheáenzymes - Chuyeå n hoù a sinh hoïc caù c steroid - Gibberillin, auxin, chaá t ñieà u hoø a taê ng tröôû ng TV. 11. Caù c acid amin: acid glytamic (laø m boä t ngoït), glutamine, lysine, acid aspartic, arginine, ornithine, threonine, valine, tyrosine, phenylalanine, leucine, tryptophan, hydroxytryptophan.

Coâ ng nghieä p hoù a hoïc Coâ ng nghieä p thöïc phaå m vaøhoù a chaá t Coâ ng nghieä p thöïc phaå m vaøkhai khoaù ng Coâ ng nghieä p y döôïc

Noâ ng nghieä p vaøy döôïc Dinh döôõ ng Coâ ng nghieä p hoù a döôïc vaøy döôïc Noâ ng nghieä p Coâ ng nghieä p phaå m, hoù a hoïc

thöïc

• 12. Saûn xuaát caùc mononucleotides vaø caùc ñoàng ñaúng: acid 5’-inosinic, acid 5’-guanilic, 5’-amino-4imidazole-carboxy amid (AICA), riboside, ATP, AMP voøng. • 13. Saûn xuaát vaø söû duïng enzyme : amylase, protease, enzyme ñoàng tuï söõa (rennin), lipase, cellulase, asparaginase, glucose isomerase, glucose oxydase, aspartase vaø caùc enzymes khoâng tan khaùc. • Penicillinase, glucose oxydase • 14. Luyeän kim baèng VSV (microbial hydrometallurgy): thu nhaän ñoàng, uranium, keõm, mangan töø quaëng hoaëc quaëng pheá thaûi. Khai thaùc vaøng nhôø taùch chaát sulfure khoù tan. • 15. Xöû lyù nöôùc thaûi thaønh phoá vaø nöôùc thaûi coâng nghieäp.