Chương trình mơn Cơng Nghệ Lên Men 1.Chương mở đầu:Giới thiệu mơn cơng nghệ lên men 2.Ngun lý q trình lên men 3.Kỷ thuật cơng nghệ lên men 4.Cơng nghệ lên men sản xuất sinh khối VSV CN sản xuất SCP, men bánh mì, thuốc bảo vệ thực vật, phân bón VS 5.Cơng nghệ lên men sản xuất a amin, a hữu cơ, nucleotid Cơng nghệ lên men sản xuất enzim,kháng sinh 7.Cơng nghệ lên men thực phẩm truyền thống như: fromage,sữa chua,sauerkraust,nem chua, tempeh,miso, tương, chao… Công nghệ sản xuất sản phẩm sinh học VSV tái tổ hợp Chương mở đầu GIỚI THIỆU MÔN CÔNG NGHỆ LÊN MEN (FERMENTED TECHNOLOGY) I/ Đònh nghóa môn học Công nghệ lên men môn khoa học nghiên cứu ứng dụng hoạt động VSV vào qui trình sản xuất sản phẩm thực phẩm hay sản phẩm sinh học qui mô công nghiệp với hiệu suất cao CNLM bao gồm trình sản xuất : CNLM cổ điển : ( lên men truyền thống ) Xuất lâu đời từ thời tiền sử Áp dụng cách vô thức hoạt động lên men kò khí hay hiếu khí ( thường ủ kò khí ) hệ VSV có sẳn tự nhiên để sản xuất thực phâm lên men truyền thống như: yaourts, kefir, dưa chua, rượu , bia, nước chấm lên men … CNLM đại ( lên men kỷ nghệ): Xuất vào thập niên 60 p dụng hoạt động sinh tổng hơp chủng VSV khiết (Starters-có thể cải tạo gen để nâng cao suất) nhầm tạo sản phẩm sinh học có giá trò cao • Vi sinh vật (microorganisms) sinh vật nhỏ bé đến mức thấy chúng kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử Vi sinh vật gây nhiều bệnh hiểm nghèo cho người, cho gia súc, gia cầm Tuy nhiên số vi sinh vật gây bệnh chiếm phần nhỏ giới vi sinh vật Từ xa xưa người ta biết ứng dụng vi sinh vật có ích (tuy chưa biết tới tồn chúng) để chế biến thực phẩm ( như  nấu rượu, làm tương, mắm, nước mắm, giấm, sữa chua, chao, muối dưa, muối cà, ), ủ phân, ngâm vỏ lấy sợi, xếp ải đất, trồng ln canh với họ Đậu ; sử dụng biện pháp để ngăn chặn tác hại vi sinh vật (như ướp muối thịt, cá, làm mứt, phơi khơ củ cải, tơm, cá ) • Sau việc Leeuwenhoek phát vi sinh vật  việc Louis Pasteur phát chất vi sinh vật- từ khai sinh ngành Vi sinh vật học (Microbiology)- nhân loại bắt đầu quan tâm nhiều đến lĩnh vực khoa học mẻ Vi sinh vật học trở thành tảng cho phát triển Cơng nghệ sinh học(CNSH) Người ta chia phát triển CNSH thành giai đoạn: •  * CNSH truyền thống q trình dân dã nhằm chế biến , bảo quản loại thực phẩm, xử lý đất đai, phân bón để phục vụ nơng nghiệp • * CNSH cận đại  là q trình sử dụng nồi lên men cơng nghiệp để sản xuất quy mơ lớn sản phẩm sinh học mỳ (bột ngọt), lizin axít amin khác, acid hữu cơ, dung mơi hữu cơ, chất kháng sinh, số vitamin (như vitamin B2, B12, C ), nhiều loại enzym • CNSH đại chia lĩnh vực CN di truyền (genetic engineering), cơng nghệ tế bào (cell engineering), cơng nghệ enzym protein (enzyme/protein engineering), CN vi sinh vật/ CN lên men  (microbial engineering / fermentation), CN mơi trường (environmental engineering) CNSH đại thường gắn liền với thể mang gen tái tổ hợp ( recombination gene) • II/ Tính chất VSV dùng công Nghệ lên men: Với điều kiện tối ưu hoá thiết bò lên men , tế bào vi sinh vật nhà máy hoá học hoàn chỉnh có khả chuyển hoá từ nguyên vật liệu rẻ tiền thành sản phẩm sinh học có giá trò cao thời gian ngắn Sản xuất sản phẩm sinh học đường lên men VSV có nhiều ưu điểm so với đường chăn nuôi trồng trọt, vì: • 1.VSV có kích thước nhỏ, thể đơn bào, nên tổng bề mặt tiếp xúc sinh khối VSV với môi trường lớn, VSV có khả trao đổi chất, sinh tổng hợp , khả sinh sản gấp hàng ngàn lần so với sinh vật thượng đẳng • 2.VSV có tính thích nghi cao với môi trường nuôi cấy, nên dễ dàng chuyển từ sống hoang dại sang sống nồi lên men (fermentor).Các yếu tố môi trường sống kiểm soát dễ dàng máy móc thiết bò, việc sản xuất sản phẩm sinh học VSV công nghiệp hoá tự động hoá • Các nguyên liệu để VSV sử dụng cho hoạt động sinh tổng hợp phụ phẩm ngành nông công nghiệp thải nên rẻ tiền, sản lượng phong phú Việc tận dụng phụ phẩm ý nghóa kinh tế, có ý nghiã việc bảo vệ môi trường , chống gây ô nhiễm • • • • Một số nhược điểm VSV : 1.VSV có khả biến dò cao, nên dễ dàng bò thoái hoá đặc tính sinh lý chúng trình nhân giống cấy chuyền nhiều lầ, phải có biện pháp cải thiện chất lượng giống bảo quản giống thật hiệu 2.Khả đấu tranh sinh tồn, khả canh tranh chống tạp nhiễm chủng VSV dùng sản xuất thường không cao , sản xuất qui mô công nghiệp phải bảo đảm điều kiện vô trùng 3.Sự thay đổi điều kiện môi trường dầu nhỏ ảnh hưỡng lớn đến suất ( nhiệt dộ , pH, độ thông khí, hàm lượng chất dinh dưỡng ….), trình lên men thường phải kiểm soát chặt chẻ , thông số kỷ thật phải bảo đảm ổn đònh suốt trình lên men Việc điều khiển tự động hoá hoạt động fermentor cân thiết sản xuất qui mô công nghiệp II.Các giai đoạn quan trọng Công nghệ lên men Công nghệ lên men trình phức tạp bao gồm nhiều công đọan : – – – – Tuyển chọn chủng VSV Sản xuất thử nghiệm Sản xuất qui mô công Nghiệp Thu hoạch tinh chế sản phẩm Mỗi công đoạn đòi hỏi phải có kiến thức nhiều lảnh vực khoa học khác II.Các giai đoạn quan trọng Công nghệ lên men Q trình tạo giống Bao gồm phân lập, tuyển chọn, tạo khả thích nghi, nâng cao suất ky thuật di truyền , bảo quản giống Q trình sản xuất thử nghiệm Nghiên cứu yếu tố tơi ưu cho giống phát triển tốt phòng thí nghiệm Q trình sản xuất cơng nghiệp Q trình thu hoạch tinh chế sản phẩm Tơi ưu hố yếu tố mơi trường sản xuất cơng nghiệp Tập hợp phương pháp hố lý sinh học để hu nhận sản phẩm cuối III.Mối quan hệ Công nghệ lên men với lảnh vực khoa học khác • 1.Giai đọan tuyển chọn chủng VSV:cần có kiến thức Sinh học tế bào, Sinh lý vi sinh, Di truyền phân tử, Công nghệ gen • 2.Giai đoạn lên men thử nghiệm : phải có kiến thức Vi sinh, Sinh hoá Sinh hoá, Hóa phân tích • 3.Giai đoạn lên men công nghiệp : phải có kiến thức Cơ khí công nghệ để thiết kế, kiến thức bioprocess technology để vận hành thiết bò lên men, thiết bò khử trùng.Các kiến thức Tin học toán học cần thiết cho nhà nghiên cứu việc tính toán, thiết lập thông số kỷ thuật để tạo điều kiện tối ưu cho trình lên men công nghiệp (Tối ưu hóa) • 4.Giai đọan thu hoạch tinh chế sản phẩm : đòi hỏi kiến thức sinh hoá hoá phân tích • Đặc biệt kiến thức hệ thống quản lý chất lượng như: HACCP, SSOP, GMP phải áp dụng nghiệm ngặc trình sản xuất Các lảnh vực khoa học có liên quan đến CN lên men Sinh hóa Công nghệ gen HACCP, GMP, SSOP Sinh lý Vi sinh Công Nghệ Lên Men Toán học Tin học Công nghệ khí Sinh học tế bào Hoá phân tích Bioprocess Technology (Công nghệ trình sinh học VI Vai trò môn CN lên men với lảnh vực sản xuất Công nghệ lên men sản xuất sản phẩm • • • • • • có giá trò qui mô công nghiệp, sản phẩm phục vụ cho ngành sản xuất Nông nghiệp: thuốc trừ sâu sinh học , phân vi sinh, phân vi sinh phân giải lân… Chăn nuôi: Sản xuất vaccin, chế phẩm bổ sung vào thức ăn gia súc để kích thích tăng trọng như: vitamin, acid amin, enzim, hormon Thuỷ sản- Môi trường : chế phẩm VSV làm môi trường nước, chế phẩm VS phân hủy chất hữu Y học : sản xuất sinh phẩm dùng chẩn đoán bệnh , phòng bệnh ( kháng thể đơn dòng , vaccin, enzim, vitamin ) Công nghệ thực phẩm : thực phẩm lên men , sản xuất chất phụ gia ( a hữu cơ), chất điều vò ( a amin) Kỷ nghêï hoá học : sản xuất dung môi hữu cơ, nhiên liệu chất đốt thay xăng dầu đường lên men… • V Sơ lược lòch sử phát triển môn học : Gồm giai đoạn tương ứng với kỷ nguyên : Kỷ nguyên trước Công nguyên : (trước môn VSV đời, tính từ thời thượng cổ), người biết lên men để bảo quản thực phảm Giai đọan lên men không kiểm soát chưa có nhận thức diện VSV hoạt động sinh ly chúng.Lên men với mục đích kéo dài thời gian bảo quản , chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, tin tưỡng vào thần linh Kỷ nguyên sau Pasteur ( tính đến nửa sau kỷ 19): hiểu biết chất trình lên men, người kiểm soát trình lên men nhờ dụng dòng VSV khiết (startrs) Tuy nhiên thiết bò lên men thô sơ, chủ yếu lên men bán vô trùng : sản phẩm trình lên men bán vô trùng thường dung môi hữu cơ, rượu, bia….Các chủng VSV tạo sản phẩm thường có sức đề kháng cao với tạp nhiễ Kỷ nguyên thứ III- Sau chiến thứ I ( kỷ 20) Từ khám phá Penicillin Nhu cầu sản xuất chất kháng sinh cao phục vụ quân y đòi hỏi điều kiện vô trùng tuyệt đối, suất cao Đã thiết kế thiết bò lên men có hệ thống sựt khí vô trùng Giai đoạn đánh dấu trình tối ưu hoá điều kiện thiết bò lên men Kỷ nguyên thứ VI- Giai đoạn đại :Con người biết áp dụng thành tựu công nghệ di truyền: kỷ thuật lấp ghép gen , lai AND, kỷ thuật gây đột biên để tạo chủng VSV biến đổi gen ( starters) có khả sinh tổng hợp sản phẩm sinh học có giá trò cao dùng điêu trò, chẩn đoán bệnh,như: insulin, loại hormon, interferon, kháng thể đơn dòng … Tóm tắt lich sủ phát triển mơn học ... lizin axít amin khác, acid hữu cơ, dung mơi hữu cơ, chất kháng sinh, số vitamin (như vitamin B2, B12, C ), nhiều loại enzym • CNSH đại chia lĩnh vực CN di truyền (genetic engineering), cơng nghệ... xuất sản phẩm sinh học đường lên men VSV có nhiều ưu điểm so với đường chăn nuôi trồng trọt, vì: • 1. VSV có kích thước nhỏ, thể đơn bào, nên tổng bề mặt tiếp xúc sinh khối VSV với môi trường lớn,... kinh tế, có ý nghiã việc bảo vệ môi trường , chống gây ô nhiễm • • • • Một số nhược điểm VSV : 1. VSV có khả biến dò cao, nên dễ dàng bò thoái hoá đặc tính sinh lý chúng trình nhân giống cấy chuyền