Bài giảng Công nghệ lên men

Nội dung text: Bài giảng Công nghệ lên men

1. Cơng nghệ lên men
2. Cơng nghệ lên men  Định nghĩa: quá trình biến đổi do vi sinh vật thực hiện trong điều kiện yếm khí hay hiếu khí  Sản phẩm  Sinh khối vi sinh vật  Enzym – protein vi sinh vật  Sản phẩm trao đổi chất: sơ cấp + thứ cấp  Các biopolymer và biosurfactant  Sản phẩm tái tổ hợp gen
3. Chủng vi sinh vật 1: Khơng gây bệnh cho người, động vật và mơi trường (GRAS - Generally Recognized As Safe) 2: Cĩ thể gây khĩ chịu cho người, động vật và mơi trường 3: Gây bệnh, truyền bệnh nhưng cĩ cách chữa trị 4: Gây bệnh, truyền bệnh rất nhanh nhưng chưa cĩ cách chữa trị
4. Thu nhận chủng  Phân lập từ mơi trường  “săn lùng” (shotgun)  cĩ định hướng (objective)  Ngân hàng chủng  Nhanh, ít tốn kém  Khơng cĩ tính cạnh tranh
5. Yêu cầu của chủng cơng nghệ 1. Ổn định di truyền 2. Sản xuất hiệu quả sản phẩm mong muốn, và con đường sinh tổng hợp sản phẩm đã được khảo sát kỹ 3. Khơng cần hay ít cần các bổ sung vitamin và yếu tố tăng trưởng 4. Sử dụng được các cơ chất phổ biến và rẻ tiền 5. Cĩ thể biến đổi di truyền được 6. An tồn, khơng gây bệnh, và khơng sản xuất chất độc, trừ khi đĩ chính là sản phẩm 7. Dễ dàng thu hoạch từ quá trình lên men 8. Dễ dàng phá vỡ tế bào nếu sản phẩm là nội bào 9. Ít tạo ra sản phẩm phụ để thuận tiện cho việc tinh chế sản phẩm
6. Cải tạo chủng  Tái tổ hợp tự nhiên  Gây đột biến  Đột biến ngẫu nhiên  Đột biến nhân tạo - cảm ứng  Sử dụng base tương đồng  Thay đổi về hĩa học của các base  Chiếu xạ  Gây đột biến bằng transposon  Lai ghép tế bào trần và biến nạp gen  Thao tác di truyền trên vi sinh vật
7. Chiến lược thao tác di truyền  Sàng lọc gen từ tế bào nguồn  Cơ lập gen quan tâm: tạo dịng  Thực hiện các biến đổi cần thiết  Đưa gen trở lại tế bào đích  Kiểm tra và sàng lọc chủng mới
8. Sàng lọc thể đột biến  Kiểu hình quan sát được  Khuyết dưỡng: cấy trên mơi trường tối thiểu  Tổng hợp gây chết  Kháng chất chuyển hĩa  Khĩm vệ tinh  Quang ứng động, hĩa ứng động  Khác biệt tỷ trọng: ly tâm phân đoạn
9. Làm giàu thể khuyết dưỡng bằng penicillin Gây đột biến: Rửa và phân tán ở Thêm 100 U/ml 7 UV, HNO2, mật độ 10 /ml penicillin Nuơi cấy 5 h trong Ủ 5 h trong mơi Nuơi cấy 2-20 h mơi trường hồn trường glucose Loại bỏ penicillin chỉnh khơng chứa nitơ Pha lỗng đến 50- 100 tế bào/hộp Nhân bản Mơi trường Mơi trường Mơi trường hồn chỉnh tối thiểu hồn chỉnh
10. Bảo quản giống vi sinh vật  Ngân hàng tế bào  Ngân hàng gốc (master cell bank)  Ngân hàng làm việc (working cell bank)  Cấy chuyền  Làm khơ  Đơng khơ  Đơng lạnh
11. Mơi trường lên men  Cung cấp chất dinh dưỡng để tế bào phát triển  Chất dinh dưỡng  Yếu tố tăng trưởng  Cung cấp các chất cần thiết để thu sản phẩm  Sinh khối  Chất chuyển hĩa sơ cấp  Chất chuyển hĩa thứ cấp  Chất cảm ứng
12. Các loại mơi trường lên men  Mơi trường tổng hợp: đĩ là mơi trường cĩ thành phần hĩa học chính xác về mặt định tính và định lượng.  Mơi trường phức hoặc bán tổng hợp: người ta chỉ biết thành phần chính xác của một vài hợp chất (về mặt định lượng đối với các chất cần quan tâm như yếu tố tăng trưởng, các thành phần khác dựa theo kinh nghiệm).  Mơi trường cơng nghiệp: nguyên liệu phức ban đầu chủ yếu bắt nguồn từ các sản phẩm nơng nghiệp hoặc từ sữa vì chúng rẻ và tương đối dồi dào.
13. Tiêu chí chọn thành phần mơi trường  Giá thành và khả năng cung cấp.  Dễ xử lý, vận chuyển, và bảo quản với chi phí thấp.  Khơng gây khĩ khăn cho quá trình tiệt trùng và khơng bị biến chất.  Cĩ các thuộc tính vật lý như độ nhớt, khả năng trộn lẫn, khơng ảnh hưởng đến cơng thức chung, việc vận hành nồi cũng như xứ lý sau lên men.  Giúp đạt được nồng độ sản phẩm đích với tốc độ hình thành và năng suất sản phẩm trên gam cơ chất cao.  Nồng độ và loại tạp chất cũng như khả năng tạo sản phẩm phụ thấp khơng làm ảnh hưởng đến quá trình tách sản phẩm chính sau đĩ  Cĩ tính an tồn tốt
14. Nguồn carbon  Ycarbon (g/g) = Sinh khối tạo ra (g) / Nguồn carbon sử dụng (g)  Mật mía  Cao chiết mạch nha  Tinh bột và dextrin  Nước thải sulfit  Cellulose  Bã sữa chua  Alkane và alcol  Chất béo và dầu
15. Nguồn nitơ  Nước thải ngâm bắp  Cao nấm men  Peptone  Bã đậu nành
16. Các thành phần khác  Nước  Khống chất  Vitamin và yếu tố tăng trưởng  Các tiền chất  Các chất cảm ứng và kích thích  Các chất ức chế  Chất thay đổi tính thấm tế bào  Oxi  Chất chống bọt
17. Biện pháp kiểm sốt bọt  Thay đổi cơng thức mơi trường  Phá bọt cơ học  Các chất phá bọt: thường là các chất hoạt động bề mặt:  Nhanh chĩng phân tán và tác động nhanh  Tác động mạnh với liều thấp  Cĩ tác động kéo dài  Khơng độc đối với vi sinh vật lên men, người hay thú  Giá rẻ  Bền nhiệt  Tương thích với các thành phần mơi trường và qui trình
18. Khí thải Hệ thống lên men vơ trùng Lọc tiệt trùng Cổng phụ  Cảm biến pH, nhiệt độ, oxi, bọt, mức  Cung cấp oxi, chất Nước/hơi nước ra dinh dưỡng, chất kiểm sốt pH, Trục khuấy  Cánh khuấy Đĩa khuấy  Cổng thu hoạch Vỏ ngồi Rọ cản Nước/hơi nước vào Khí vơ trùng Bộ phun khí Cổng thu Khí vào hoạch
19. Các thiết bị nuơi cấy khác
20. Các phương thức lên men  Kiểu vận hành  Lên men gián đoạn  Lên men bổ sung dinh dưỡng gián đoạn  Lên men liên tục  Độ kín của hệ thống  Lên men hở  Lên men vơ trùng  Sự thơng khí  Lên men hiếu khí  Lên men kỵ khí  Kiểu thiết bị sử dụng  Lên men nổi  Lên men chìm
21. Lên men bề mặt 4 3 5 6 6 1 7 2 1-Giá đựng khay ; 2-Khay ; 3-Cửa cho không khí sạch vào buồng ; 4-Cửa cho không khí ra ; 5-Quạt ; 6-Chỗ phun nước ; 7-Bộ phận xả hơi nóng để điều chỉnh nhiệt độ của buồng.
22. Lên men chìm Nguyên liệu Chuẩn bị môi trường Chuẩn bị môi trường Nhân giống cấp I lên men nhân giống Không khí ra Nhân giống cấp II, III Không khí ra LÊN MEN Không khí nén, lọc Tách và làm sạch sản phẩm
23. Giám sát quá trình lên men  Các cảm biến in situ  Các bộ phân tích trực tuyến  flow injection analysis  sequential injection analysis  khối phổ (mass spectrometry - MS)  lỏng hiệu năng cao (HPLC)  sắc ký khí (GC)