NHỮNG NGUYÊN lý cơ bản trong công nghệ lên men

1
CHƯƠNG 2
NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN
I. Nguyên lý sảnxuất công nghiệp
II. Nguyên lý trao đổichất ở tế bào VSV
III. Nguyên lý điềukhiển quá trình trao đổichất
IV. Nguyên lý sinh tổng hợpthừa ở VSV
I. Nguyên lý sảnxuất công nghiệp
Quá trình lên men là một quá trình hếtsức
phứctạp. Bao gồm:
- Quá trình tuyểnchọngiống
- Quá trình sảnxuấtthử
- Quá trình sảnxuất công nghiệp
- Quá trình thu nhậnvàtinhchế sảnphẩm
Quá trình
tạogiống
Quá trình sản
xuấtthử
Quá trình sản
xuấtcông
nghiệp
Quá trình thu
nhậnvàtinh
chế sảnphẩm
Bao gồm các quá trình nghiên cứu các
yếutố tác động vào cơ thể sống. Tối ưu
hóa các yếutốảnh hưởng đếncơ thể
sống
Tối ưuhóacác yếutốảnh hưởng đến
quá trình trao đổichất trong quy mô
công nghiệp

Bao gồmtậphợpcácphương pháp hóa
lý và sinh học để thu nhậnsảnphẩm
cuối cùng
Bao gồm các quá trình phân lập, tuyển
chọn, tạokhả năng thích nghi, nâng cao
chấtlượng giống bằng kỹ thuậtditruyền
và các quá trình bảoquảngiống
1
2
3
4
Nguyên lý các quá trình cơ bản trong công nghệ lên men
2
Tuyểnchọngiống
¾
¾
Mua
Mua
t
t
ừ
ừ
c
c
á
á
c
c
ngân
ngân

h
h
à
à
ng
ng
gi
gi
ố
ố
ng
ng
¾
¾
Phân
Phân
l
l
ậ
ậ
p
p
trong
trong
t
t
ự
ự
nhiên
nhiên

¾
¾
K
K
ỹ
ỹ
thu
thu
ậ
ậ
t
t
di
di
truy
truy
ề
ề
n
n
¾
¾
Đ
Đ
ộ
ộ
t
t
bi
bi

ế
ế
n
n
¾
¾
K
K
ỹ
ỹ
thu
thu
ậ
ậ
t
t
sinh
sinh
h
h
ọ
ọ
c
c
t
t
ế
ế
b
b

à
à
o
o
International Culture Collections
International Culture Collections
Domestically, strains can be purchased from: CGMCC or
China General Microbiological Culture Collection Center
Phân lập trong tự nhiên
3
K
K
ỹ
ỹ
thu
thu
ậ
ậ
t
t
di
di
truy
truy
ề
ề
n
n
Incorporation into
artificial plasmids of

genes from a wide
variety of sources has
made possible the
transfer of genetic
material across
virtually any species
barrier
Various high value
added products have
been produced from
the Genetic engineering
methods
Đ
Đ
ộ
ộ
t
t
bi
bi
ế
ế
n
n
Hóa học
Vậtlý
Sinh học
Cell biology techniques
Cell biology techniques



Protoplast fusion
Protoplast fusion
(promote high
(promote high
frequencies of genetic recombinants)
frequencies of genetic recombinants)


removing the cell wall with
removing the cell wall with
lytic
lytic
enzymes in
enzymes in
the presence of osmotic stabilizers.
the presence of osmotic stabilizers.


In the presence of
In the presence of
fusogenic
fusogenic
agent such as
agent such as
polyethylene glycol (PEG), protoplasts are
polyethylene glycol (PEG), protoplasts are
induced to fuse and form transient hybrids or
induced to fuse and form transient hybrids or
diploids.

diploids.


Regeneration of viable cells from the fused
Regeneration of viable cells from the fused
protoplasts.
protoplasts.
4
S
S
ả
ả
n
n
xu
xu
ấ
ấ
t
t
th
th
ử
ử
-
-
s
s
ả
ả

n
n
xu
xu
ấ
ấ
t
t
công
công
nghi
nghi
ệ
ệ
p
p


Th
Th
í
í
nghi
nghi
ệ
ệ
m
m
trong
trong

b
b
ì
ì
nh
nh
tam
tam
gi
gi
á
á
c
c


Lên
Lên
men
men
v
v
ớ
ớ
i
i
quy
quy
mô
mô

phòng
phòng
th
th
í
í
nghi
nghi
ệ
ệ
m
m
(5
(5
-
-
10 L)
10 L)


Lên
Lên
men
men
quy
quy
mô
mô
nh
nh

ỏ
ỏ
(100
(100
-
-
3000 L)
3000 L)


Lên
Lên
men
men
quy
quy
mô
mô
thương
thương
m
m
ạ
ạ
i
i
(10,000
(10,000
-
-

500,000 L)
500,000 L)
Th
Th
í
í
nghi
nghi
ệ
ệ
m
m
trong
trong
b
b
ì
ì
nh
nh
tam
tam
gi
gi
á
á
c
c
Tối ưuhóađiềukiện để phát
triểntế bào và hình thành

sảnphẩm
1. pH
2. Nhiệt độ
3. Oxi hòa tan
4. cơ chất
5. Nồng độ chấtkhô
6. Others
S
S
ả
ả
n
n
xu
xu
ấ
ấ
t
t
th
th
ử
ử
-
-
quy
quy
mô
mô
phòng

phòng
th
th
í
í
nghi
nghi
ệ
ệ
m
m
Hơinước
Hơi
nước
 pH
T
o
 Nồng độ chấtkhô
 Hoạt tính nước
Lưulượng không khí
5
S
S
ả
ả
n
n
xu
xu
ấ

ấ
t
t
th
th
ử
ử
Lên
Lên
men
men
quy
quy
mô
mô
công
công
nghi
nghi
ệ
ệ
p
p
Lên
Lên
men
men
công
công
nghi

nghi
ệ
ệ
p
p
6
Thựcchấtcủa quá trình sảnxuấtcácsản
phẩmtừ VSV theo quy mô công nghiệp
là phảitiếnhànhđiềukhiển 3 quá trình
cơ bản sau:
1. Quá trình đk genotype (kiểu gen)
2. Quá trình đk phenotype (kiểu hình)
3. Quá trình thu nhậnvàtinhchế sảnphẩm
Quá trình
tạogiống
Quá trình sản
xuấtthử
Quá trình sản
xuấtcông
nghiệp
Quá trình thu
nhậnvàtinh
chế sảnphẩm
Bao gồm các quá trình nghiên cứucác
yếutố tác động vào cơ thể sống. Tối ưu
hóa các yếutốảnh hưởng đếncơ thể
sống
Tối ưuhóacácyếutốảnh hưởng đến
quá trình trao đổichất trong quy mô
công nghiệp

Bao gồmtậphợpcácphương pháp hóa
lý và sinh học để thu nhậnsảnphẩm
cuối cùng
Bao gồm các quá trình phân lập, tuyển
chọn, tạokhả năng thích nghi, nâng cao
chấtlượng giống bằng kỹ thuậtditruyền
và các quá trình bảoquảngiống
1
2
3
4
Đk genotype
trong tb
Đk
phenotype
ngoài tb
Thu nhận
và tinh chế
sp
Quá trình đk genotype (kiểugen)
¾Là cả 1 quá trình tạogiống, nâng cao chất
lượng giống và bảoquảnchấtlượng
giống.
¾Mục đích của quá trình này là thu được
giống có chấtlượng tốt, đáp ứng đầy đủ
các yêu cầu trong sảnxuất
Một gen -> Một enzym-> mộtphản ứng sinh hóa -> sảnphẩm
Tấtcả các quá trình này nằm trong mộttế bào mà trọng tâm là
những vấn đề về gen
Quá trình này là công việc quan trọng nhất trong toàn bộ tiến

trình sảnxuất
7
Quá trình đk phenotype (kiểuhình)
- Là quá trình tối ưu hóa các điềukiệncó
ảnh hưởng đếnbiểuhiệncủa enzym. Việc
biểuhiệnhoạt động của enzym phụ thuộc
rất nhiềuvàocả yếutố bên trong lẫn bên
ngoài củatế bào. Trong đó, các yếutố
như pH, t
o
, nồng độ chất khô, chấthoạt
hóa, chấtkiềm hãm, nồng độ enzym được
coi như yếutốđiềukhiểncủa quá trình
=> Thựcchấtcủaviệc điềukhiển phenotype là điềukhiểnkỹ
thuậtsảnxuất trong công nghệ lên men
Quá trình thu nhậnvàtinhchế sảnphẩm
Là quá trình áp dụng hàng loạt các phương
pháp cơ học, hóa lý để nhằmvàomục đích
cuối cùng của quá trình sảnxuấtlàsảnphẩm
Question ?
8
II. Nguyên lý trao đổichất ở tế bào VSV
(Metabolism)
ĐN: Trao đổichấtlàgì?
Tại sao cầnphảibiết?
¾Biếtcáchứcchế hoặcngừng sự trao đổichất ở VSV
¾Điềukhiển quá trình biếndưỡng để kéo dài thờigiancủa
sảnphẩm
Trao đổichất hay biếndưỡng là những quá trình sinh
hoá xảy ra trong cơ thể sinh vật, gồm:

¾ Đồng hóa
¾ Dị hóa
Breakdown
Proteins to Amino Acids, Starch to Glucose
Synthesis
Amino Acids to Proteins, Glucose to Starch
9
II. Nguyên lý trao đổichất ở tế bào
VSV (Metabolism)
Đồng hóa: thúc đẩy quá trình sinh trưởng và quá
trình sinh sản củatế bào; chỉ xảy ra trong tế bào, cần
cung cấp năng lượng + nguyên liệu
Dị hóa: phân giải các hợpchất, giải phóng năng
lượng + nguyên liệuchođồng hóa (có thể xảyra
trong hoặc ngoài tb)
Dị hóa trong tế bào: nhằmcungcấp năng lượng và nguyên liệu cho qt tổng
hợpcủatb(Do enzymnộibàothựchiện( Endoenzyme))
Dị hóa ngoài tế bào: nhằmcungcấp nguyên liệu cho qt tổng hợpcủatb
(Do enzym nộibàothựchiện( exoenzyme))
Tóm tắt nguyên lý 2
SP1: Sảnphẩmbậc1 (Sảnphẩm quá trình tổng hợp)
SP2: Sảnphẩmbậc2 (Sảnphẩm quá trình phân giải)
Tế bào
Các yếutố
ảnh hưởng
Sảnphẩm
Môi trường
Tổng hợp
Dị hóa trong tế
bào

SP2
Dị hóa
ngoài tế
bào
SP2
SP1 (sinh khối)
Môi trường
SP2
II. Nguyên lý trao đổichất ở tế bào VSV
(Metabolism)
Trong quá trình trao đổichấtcủa VSV sẽ tạora
các dạng sảnphẩm sau:
-Sinhkhối VSV (các v/c có trong tế bào VSV) -> sp1
-Cácvậtchất đượctạo ra trong quá trình trao đổi
chất, tb tách chúng ra môi trường, chúng không tham
gia qt tạorasinhkhốitế bào -> sp2
- Ngoài ra, còn mộtdạng sp khác đượcgọilàsp của
sự chuyểnhóa(thường là những chất trung gian
không bềnvề mặt hóa học. Chúng còn tiếptục được
chuyển hóa trong chuỗichuyển hóa củatế bào
10
II. Nguyên lý trao đổichất ở tế bào VSV
(Metabolism)
Tiềnsảnphẩm
Sảnphẩmchuyển hóa
Tế bào
Cơ chất
Sơđồcác sảnphẩm trong trao đổichấtcủa VSV
SảnphẩmbậcII
Sảnphẩmbậc1

Question ?
III. Nguyên lý điều hòa trao đổichất
ở VSV
Các yếutốđiềukhiểntraođổichất ở VSV
Ý thức
Hệ thầnkinh
Hệ dịch quanh tế
bào
Enzym
NgườiĐộng vậtThựcvậtVSVYếutốđiềukhiển
Đốivới VSV, điềukhiển?
11
III. Nguyên lý điều hòa trao đổichất
ở VSV
Các yếutốđiềukhiểntraođổichất ở VSV
+
Ý thức
++
Hệ thầnkinh
+++-
Hệ dịch quanh tế
bào
++++
Enzym
NgườiĐộng vậtThựcvậtVSVYếutốđiềukhiển
Đốivới VSV, điềukhiển?
III. Nguyên lý điều hòa trao đổi
chất ở VSV
1. Điều hòa hoạt tính enzym nhờ sựức
chế củasảnphẩmcuốicùng

2. Điềukhiểntốc độ phản ứng bằng sản
phẩmcuối
3. Điềukhiểntổng hợpenzymbằng cơ
chế cảm ứng
1. Điều hòa hoạttínhenzymnhờ sựứcchế của
sảnphẩmcuối cùng
¾Cơ chế này đượcgọilàsự kìm hãm theo cơ chế
ngược. Sp cuối cùng của1 qt phản ứng sẽ gây ra sự
ứcchế qt pứ.
¾Các sp cuốicóthể là các sp đượctạo thành trong
quá trình trao đổichất, cũng có thể là những chất đưa
vào môi trường nuôi cấy. Các sp này sẽ tham gia gây
ứcchế hoạt tính enzym thay đổicấu hình không gian.
¾Trung tâm hoạt động không còn phù hợpcấuhình
không gian vớicơ chất-> Tốc độ phản ứ
ng sẽ giảm
hay bị triệt tiêu.
12
1. Điều hòa hoạt tính enzym nhờ sựức
chế củasảnphẩmcuốicùng
* Trong qt sống, VSV thường sử dụng các sản
phẩmcuối cho qt phát triểnvàsinhsản. Cũng
có thể sp cuối là sp không cầnthiết cho qt trên.
-> Sựđiều hòa trở nên nhịp nhàng suốt quá
trình phát triểncủa VSV.
* Trong quá trình sảnxuất, có thểđiềukhiểnquá
trình này bằng cách tăng hay giảmsảnphẩm
cuối.
1. Điều hòa hoạt tính enzym nhờ sựức
chế củasảnphẩmcuốicùng

Các yếutố cần để điềukhiển enzym:
¾ pH
¾T
o
¾Cơ chất
¾Chất kìm hãm
(liên quan trung tâm điềukhiển)
2. Điềukhiểntốc độ phản ứng bằng sảnphẩmcuối
-Sảnphẩmcuối cùng ứcchế sự tổng hợp enzym
(enzym tham gia tạorasảnphẩmcuối)
- Trong qt tổng hợp ra enzym tham gia tạorasp cuối,
việc đọc thông tin di truyềnnàysẽ bị phong tỏa.

Nếunồng độ sp cuối nhiều, qt phiên mã sẽ bị ngưng trệ
 Nếunồng độ sảnphẩmcuốiít, qt phiênmãlại được
phụchồivàqt tổng hợp enzym lại đượcthựchiện
13
2. Điềukhiểntốc độ phản ứng bằng sảnphẩmcuối
Sảnphẩmcuối ảnh hưởng tốc độ phản ứng
đầu tiên.
Enzym tham gia phản ứng đầutiêndễ bị sản
phẩmcuốitácđộng vào. Trong trường hợp
này, sảnphẩmcuối được xem như là chất
kìm hãm. Muốn cho phản ứng xảy ra liên tục
hoặcvớitốc độ cao thì giảmhoặctriệttiêu
sảnphẩmcuối. Bằng cách:
9Tách hẳnra
9Dùng sảnphẩmcuốinhư là mộtsảnphẩm trung
gian tiếptụcchuyển hóa bằng enzym khác
3. Điềukhiểntổng hợpenzymbằng cơ

chế cảm ứng
- Các enzym tham gia vào quá trình dị hóa gọilà
enzym cảm ứng
-Chất mà enzym tham gia phân hủygọilàcơ chất
cảm ứng
-Cáccơ chất này có khả năng kích thích sự tổng
hợp ra các enzym cảm ứng tương ứng. Do đó, các
enzym tương ứng chỉđượctạo ra khi trong môi
trường nuôi cấycómặtcáccơ chấttương ứng.
- Trong mt có nhiềucơ chất, các cơ chất đềutham
gia tạoenzymcảm ứng. Nên cơ chấ
t nào dễ phân
hủythìtạoenzymcảm ứng trước
IV. Nguyên lý tổng hợpthừa ở VSV
- Các sp thừacủa VSV rấtcầnthiết cho qt
sx các sp từ VSV
-Cơ chế sinh tổng hợpthừa có liên quan
rất nhiều đếncấu trúc không gian của
enzym và liên quan rất nhiều đếncơ chế
di truyềncủaVSV
14
IV. Nguyên lý tổng hợpthừa ở VSV
⇒Muốnpứ tạorasảnphẩm liên tục?
-Trung tâm dị lậpthể phảicócấutrúcbiến đổi liên tục để không còn
tương tác vớichấtkìmchế (Tìm Ia – không có tính chấtkìmhãm–
giống I lấp vào)
-Dựa theo di truyềnhiện đại: AND của VSV có gen tổng hợp inhibitor
-> loạibỏ gen này-> gen sẽ không tổng hợpI -> sảnphẩmliêntục
- Độtbiếntự nhiên nhưng tầnsố thấp
I

Trung tâm
hoạt động
Trung tâm chịusự kiểm
soát củacơ chất
(Trung tâm dị lậpthể)
I
Question ?