Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng sinh học đại cương công nghệ hóa dầu và công nghệ hóa hữu cơ gồm 4 chương, trong đó chương 4 có nội dung trình bày về vi sinh vật và các quá trình sinh học. Ở chương này những vấn đề được tập trung phân tích là quá trình lên men, sản phẩm của quá trình lên men, dinh dưỡng vi sinh vật, quá trình thanh trùng...Việc khai thác, phân tích những khái niệm, đặc trưng kể trên nhằm mục đích cung cấp cho người đọc những kiến thức tổng quát và cơ bản nhất về vi sinh vật và các quá trình sinh học.
86 Sinh học đại cương Chương IV: Vi sinh vật và các quá trình sinh học 87 Quá trình lên men Khái niệm về lên men 1. Bất kỳ quá trình nào liên quan đến môi trường sinh khối của vi sinh vật, bao gồm cả kị khí và hiếu khí. 2. Bất kỳ quá trình sinh học nào xảy ra có mặt oxy 3. Quá trình làm hư hỏng thực phẩm 4. Sử dụng cơ chất vô cơ như chất cho và nhận điện tử 5. Sử dụng cơ chất vô cơ như chất khử 6. Sự sinh trưởng phụ thuộc vào quá trình phosphoryl cấp độ cơ chất Các yêu cầu cần thiết cho qúa trình lên men - Vi sinh vật tiến hành quá trình chuyển hóa sinh học - Cơ chất để chuyển hóa thành sản phẩm - Điều kiên lên men - Quá trình thu hồi và tinh sạch sản phẩm - Xử lý dòng thải - Quá trình đóng gói và thương mại hóa 88 Quá trình lên men Vi sinh vật Cơ chất Vi dinh dưỡng Phân lập Lưu giữ Xây dụng tập hợp chủng Thanh trùng môi trường Bổ sung và khuấy trôn Điều kiện lên men Thu hồi và tinh sạch Xử lý dòng thải Bao gói, thương mại Điều kiện thanh trùng Thanh trùng khí Hơi Kiểm soát nhiệt độ Kiểm soát pH Đo lượng oxy hòa tan Phun khí Điều kiện khuấy Kỹ thuật phá vỡ tế bào Vật lý Hóa học Sinh học Cấy giống 89 Canh trường gốc Bình tam giác Nhân giống Thanh trùng môi trường Thiết lập môi trường Vật liệu môi trường thô Sinh khối Dịch lên men Phân tách tế bào Nước nổi Tách chiết sản phẩm Tinh sạch sản phẩm Bao gói sản phẩm Xử lý dòng thải Thiết bị lên men 90 Sản phẩm của quá trình lên men Sinh khối vi sinh vật: protein đơn bào Sản phẩm của quá trình trao đổi chất thứ cấp: axit amin, axit hữu cơ, vitamin Sản phẩm của quá trình chuyển hóa sinh học: steroid, hoocmon Enzym: amylase, lipase 91 Môi trường lên men - Dinh dưỡng vi sinh vật Thành phần môi trường lên men - Cacbon - Nitơ - Năng lượng - Khoáng - Các dinh dưỡng khác như vitamin - Oxy/khí đối với quá trình hiếu khí - Nước Yêu cầu môi trường lên men qui mô công nghiệp - Rẻ tiền, dễ dàng tìm được với giá và chất lượng thích hợp - Năng suất cao: tạo ra lượng sản phẩm lớn nhất trên 1 đơn vị cơ chất tiêu thụ - Tốc độ hình thành sản phẩm cao - Hạn chế tối đa việc hình thành các sản phẩm không mong muốn 92 Môi trường lên men - Dinh dưỡng vi sinh vật Khái niệm: các công cụ hóa học cần thiết để tổng hợp nên các monomer được gọi là các chất dinh dưỡng vi sinh vật Cacbon - Ý nghĩa:mọi thành phần hữu cơ cấu tạo nên tế bào vi sinh vật đều là các hợp chất chứa cacbon. Hàm lượng trong tế bào: 50% - Nguyên tắc lựa chọn: 1. Thành phần hóa học và tính chất sinh lý của nguồn thức ăn 2. Đặc điểm sinh lý của từng loại vi sinh vật 3. Cấu tạo phân tử, đặc biệt là mức độ oxy hóa của nguyên tử C trong các nguồn thức ăn khác nhau - Nguồn cung cấp: Hydrat cacbon + Rỉ đường: là nguồn carbonhydrate rẻ tiền nhất, ngoài việc cung cấp một lượng lớn đường còn chứa các cơ chất mang nitơ, vitamin và các nhân tố vi lượng khác. + Dịch chiết malt: là cơ chất thích hợp cho nấm men, nấm mốc và xạ khuẩn + Tinh bột và dextrin: được chuyển hóa trực tiếp nhờ enzym amylase có trong VSV + Cellulose: rẻ tiền, phong phú về số lượng dưới dạng phế thải của nông nghiệp và một số ngành công nghiệp (rơm, lõi ngô, phế thải gỗ, bã mía và phế thải giấy) Methanol: rẻ tiền, nhưng ít phổ biến do chỉ một số ít VSV có thể chuyển hóa. Dùng làm cơ chất trong lên men sản xuất axit glutamic, serine và vitamin B12 Ethanol: được sử dụng rất phổ biên trong quá trình lên men Alkane: chiều dài mạch từ C12 đến C18 93 Dinh dưỡng vi sinh vật (cont.) Nitơ - Ý nghĩa: cung cấp nitơ tạo ra nhóm amin và imin trong phân tử axit amin, nucleotit, vitamin và 1 số hợp chất khác. Nitơ: chiếm khoảng 12% trọng lượng khô của tế bào - Nitơ vô cơ: amoniac, nitrate - Nitơ hữu cơ: + Cao ngô (hình thành trong quá trình sản xuất tinh bột từ ngô): chứa nhiều axit amin như alanine, arginine, axit glutamic, isoleucine, valine, phenylalanine, methionine và cystein + Cao nấm men: là cơ chất ưu thích của rất nhiều VSV. Chứa các axit amin và peptit, các vitamin tan trong nước, hydrate cacbon. + Pepton (các hợp chất thủy phân không triệt để protein): được nhiều vi sinh vật sử dụng nhưng đắt tiền nên chủ yếu được sử dụng trong giai đoạn nhân giống. Nguồn thu của pepton đa dạng từ thịt, casein, gelatin, keratin, hạt lạc, bột đậu, các hạt bông và các hạt hoa hướng dương.Thành phần pepton đa dạng phụ thuộc vào nguồn thu. VD: Pepton thu từ gelatin giàu proline và hydroxyproline nhưng hầu như không có các axit amin chứa lưu huỳnh. Pepton từ keratin giàu proline và xystine nhưng thiếu lysine. Pepton từ thực vật chứa nhiều hydrate cacbon + Bột đậu nành- phần còn lại của đậu sau khi chiết dầu là một cơ chất phức tạp. Thành phần gồm: protein chiếm 50%, hydrate cacbon chiếm 30% (sucrose, stachyose, rafinose, arabinoglucan, arabinan và polysaccarit), chất béo chiếm 1% và lecithin chiếm 1,8%. Thường được sử dụng trong các quá trình lên men khàng sinh 94 Dinh dưỡng vi sinh vật (cont.) Đa lượng - Photpho (50%): tồn tại trong tự nhiên ở dạng phosphate vô cơ và hữu cơ. Cần thiết cho quá trình tổng hợp axit nucleic và phospholipid. Tạo ra tính đệm cho môi trường. - Lưu huỳnh: phần lớn lưu huỳnh trong tế bào có nguồn gốc vô cơ như sulfate (SO4) hoặc sunsit (HS). Cần thiết cho quá trình tổng hợp axit amin cystein và methionine cũng như một số loại vitamin như thiamine, biotin. - Mangan (Mn): thành phần của một số enzym xúc tác cho quá trình hô hấp tế bào - Kẽm (Zn): cofactor của nhiều enzym - Magiê: cần cho nhiều hoạt động của enzym (cofactor) cũng như cần thiết để làm ổn định ribosome, màng tế bào và axit nucleic. - Canxi : cầu nối trung gian giữa các thành phần quan trọng của tế bào - Sắt:giúp vi sinh vật tổng hợp một số enzym loai porphyrin (catalase, peroxydase ), sắc tố quang hợp Vi lượng: chủ yếu là kim loại, đóng vai trò quan trọng trong chức năng xúc tác của enzym Nhân tố phát triển: là các hợp chất hữu cơ như vitamin, axit amin, purine và pyrimidine, được yêu cầu với một lượng nhỏ 95 Dinh dưỡng vi sinh vật (cont.) Nước - Chất lượng nước phụ thuộc: + pH + Thành phần và hàm lượng các muối tan + Các chất khoáng + Các loại vi sinh vật nhiễm + Hàm lượng Clo - Xử lý trước lên men + deion hóa + một số phương pháp làm mềm nước [...]... cacbon và nitơ Kích thước và sinh khối tế bào Môi trường vật lý và hóa học Duy trì năng lượng cung cấp cho sự sống sót của các tế bào Phương pháp lên men: liên tục và theo mẻ Tốc độ sinh trưởng 96 Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Pha mở đầu Thời gian: bắt đầu cấy cho đến khi vi sinh vật đạt được tốc độ sinh trưởng cực đại (3-4h) Đặc điểm: + Tế bào chưa phân chia + Thể tích và trọng lượng tế bào... trình sinh trưởng VSV Chuyển hóa bậc 1 - sản phẩm sơ cấp: dạng chuyển hóa hình thành trong pha sinh trưởng lũy tiến Chuyển hóa bậc 2 - sản phẩm thứ cấp: dạng chuyển hóa hình thành trong cuối pha sinh trưởng cân lũy tiến và cuối pha sinh trường cân bằng Các sản phẩm thứ cấp không cần thiết cho sự sinh trưởng và tái tạo Sự hình thành sản phẩm thứ cấp phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện nuôi cấy, thành... tăng + Thời gian phụ thuộc vào ống giống và môi trường (tế bào càng già thi thời gian pha mở đầu càng lớn) + Chức năng: giúp tế bào thích nghi với môi trường dinh dưỡng và sinh tổng hợp các chất cần thiết cho cơ thể - Pha lũy tiến (pha logarit) Thời gian: 5-12h Đặc điểm: + Vi sinh vật phát triển và sinh trưởng theo lũy thừa + Kích thước tế bào, thành phần hóa học, họat tính sinh lý không thay đổi theo... đẩy vào thiết bị lên men dưới dạng các bong bóng nhỏ và oxy được khuếch tán vào môi trường lên men Thiết bị khuấy trộn Hòa trộn các bong bóng khí vào chất lỏng Hòa trộn các vi sinh vật vào dịch lên men đề đồng nhất về mặt dinh dưỡng 1 04 - Thu hồi sản phẩm - - Phân tách tế bào và các cơ chất không tan ra khỏi dịch lên men Lọc hoặc lắng Ly tâm - Phá vỡ tế bào Phương pháp vật lý Phương pháp sinh học. .. chuyển vào tăng lên men pH và nhiệt độ được điều chỉnh kèm theo việc bổ sung các chất dinh dưỡng vào dịch ngâm Dịch ngâm sau đó được thanh trùng hơi và chủng giống vi sinh vật được bổ sung vào Sau 1 thời gian thích hợp, sản phẩm được lấy ra khỏi tăng lên men Phương pháp lên men liên tục: Cơ chất được bổ sung vào tăng lên men liên tục với tốc độ cố định.Vi sinh vật được giữ phát triển trong pha sinh trường... đổi chất và sinh khối của tế bào dễ dàng tách ra khỏi dịch lên men Phương pháp tạo giống vi sinh vật Gây đột biến nhân tạo và lựa chọn các chủng vi sinh vật có hiệu quả cho sản xuất cao Sử dụng DNA tái tổ hợp tạo ra các cá thể mới mang các đặc tính mong muốn Lựa chọn các chủng vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất Các nhân tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của các VSV công nghiệp Nguồn cacbon và nitơ... phẩm sơ cấp và các sản phẩm trung gian tích lũy trong quá trình nuôi cấy - - - - Mối quan hệ giữa sản phẩm sơ cấp và thứ cấp Các con đường trao đổi chất của sản phẩm thứ cấp đều nảy sinh từ quá trình trao đổi sơ cấp 101 Bản chất của quá trình lên men Khái niệm: lên men là quá trình oxy hóa khử sinh học được thực hiện nhờ các họat động sống của vi sinh vật (enzym) nhằm cung cấp năng lượng và các hợp... chết vi sinh vật tùy loại VSV và cường độ chiếu, thời gian chiếu Sóng vô tuyển điện (10-50nm; . 86 Sinh học đại cương Chương IV: Vi sinh vật và các quá trình sinh học 87 Quá trình lên men Khái niệm về lên men 1. Bất kỳ quá trình nào liên quan đến môi trường sinh khối của vi sinh. vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất Các nhân tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của các VSV công nghiệp - Nguồn cacbon và nitơ - Kích thước và sinh khối tế bào - Môi trường vật lý và hóa. Sự sinh trưởng phụ thuộc vào quá trình phosphoryl cấp độ cơ chất Các yêu cầu cần thiết cho qúa trình lên men - Vi sinh vật tiến hành quá trình chuyển hóa sinh học - Cơ chất để chuyển hóa