công nghệ sinh học đại cương học viện nông nghiệp phương pháp và ứng dụng công nghệ sinh học vi sinh và môi trường

CHƢƠNG V
PHƢƠNG PHÁP VÀ ỨNG DỤNG
CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI
SINH VÀ MÔI TRƢỜNG
I.Khái niệm chung về CNSH vi
sinh vật
1.1.KHÁI NIỆM
 Là ngành công nghệ nhằm khai thác tốt nhất khả năng của
vi sinh vật, tạo ra đƣợc điều kiện để vi sinh vật hoạt động
với hiệu suất cao nhất phục vụ việc làm tăng của cải vật
chất của xã hội, đáp ứng nhu cầu của con ngƣời và cân
bằng sinh thái môi trƣờng
 Công nghệ sinh học vi sinh đƣợc phát triển trên cơ sở các
kiến thức về giới vi sinh vật cũng nhƣ các kỹ thuật và quy
trình công nghệ đặc trƣng
 Đây là bộ phận lớn nhất, ra đời sớm nhất, có quá trình
phát triển lâu dài và doanh số lớn nhất của CNSH. Đến nay
doanh số của lĩnh vực này đạt gần 100 tỷ dola/năm
1.2.Khả năng ứng dụng của
công nghệ vi sinh
1.2.1.Trong y tế
 Sản xuất vac xin
 Sản xuất kháng sinh
 Sản xuất các protein tái tổ hợp dùng trong
phòng, chữa bệnh: hoc môn tăng trƣởng,
insulin, interferon, …
1.2.Khả năng ứng dụng của
công nghệ vi sinh (tiếp)
1.2.2.Trong nông nghiệp
 Sản xuất phân bón vi sinh vật
 Sản xuất thuốc bảo vệ thực vật

 Sản xuất chất kích thích sinh trƣởng thực vật,
động vật
 Sản xuất chế phẩm xử lý thức ăn chăn nuôi gia
súc, gia cầm, nuôi trồng thuỷ sản
 Sản xuất chế phẩm xử lý phế thải của sản xuất
nông nghiệp
 …
1.2.Khả năng ứng dụng của
công nghệ vi sinh (tiếp)
1.2.3.Trong công nghiệp và năng lƣợng
 Chế biến, bảo quản lƣơng thực, thực phẩm,
đồ uống…
 Sản xuất cồn sinh học
 Sản xuất khí gas sinh học
 Chế phẩm vi sinh tong thăm dò, khai thác
khoáng sản
1.2.Khả năng ứng dụng của
công nghệ vi sinh (tiếp)
1.2.4.Trong bảo vệ môi trƣờng
 Chỉ thị vi sinh vật môi trƣờng
 Chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải, phế
thải, nƣớc thải làm sạch môi trƣờng
1.3.KHÁI QUÁT VỀ PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT
THƢƠNG MẠI SỬ DỤNG VI SINH VẬT
(Phƣơng pháp lên men công nghiệp)
1.3.1. Khái niệm
 Lên men (Fermentation) là các quá trình
biến đổi do vi sinh vật thực hiện trong điều
kiện kị khí hay hiếu khí nhằm tích luỹ các sản
phẩm trao đổi chất hữu ích cho con ngƣời

 Lên men với quy mô lớn: 10- 10
6
lit thƣờng
đƣợc gọi là lên men công nghiệp.
 Công nghiệp lên men đƣợc hình thành từ cuối
thế kỷ 19 và phát triển mạnh mẽ. Đến nay
doanh số của lĩnh vực này đạt gần 100 tỷ
dola/năm
1.3.2. Ƣu thế của vi sinh vật
công nghiệp
 Nhờ kích thƣớc nhỏ, vi sinh vật có tỷ lệ bề mắt/thể tích lớn
nên hấp thu dinh dƣỡng nhanh và đồng hoá ở tốc độ cao
 Nguồn nguyên liệu ban đầu cho sản xuất đơn giản, rẻ
 Vi sinh vật thích ứng với nhiều loại môi trƣờng và điều kiện
nuôi cấy khác nhau
 Chúng có thể thực hiện nhiều phản ứng hoá sinh khác
nhau nên đễ dàng biến đổi sản phẩm cuối của quá trình
sản xuất
 Dễ dàng dùng kỹ thuật di truyền để tạo nòi, chủng mới
mang đặc tính mong muốn và tăng sản lƣợng sản phẩm
1.3.3. Các kiểu lên men và
nhu cầu oxy
 Lên men bề mặt (lên men tĩnh) có hai
cách:
 Môi trƣờng lỏng đƣợc chứa trong khay có
chiều sâu không quá 5cm,tế bào mọc
thành lớp trên bề mặt môi trƣờng và tiếp
xúc trực tiếp với không khí.
 Lên men bán rắn: Cơ chất rắn, ẩm trải
thành lớp mỏng trên khay

1.3.3. Các kiểu lên men và
nhu cầu oxy(tiếp)
 Lên men chìm:tế bào vi sinh vật đƣợc nuôi chìm trong
môi trƣờng lỏng. Có hai cách:
 Nuôi cấy lắc:thƣờng dùng trong phòng thí nghiệm và môi
trƣờng đƣợc khuấy trộn nhờ máy lắc tạo điều kiện thuận
lợi cho sự hoà tan oxy trong dịch lỏng.Nếu môi trƣờng
nuôi chỉ chiếm 10-20 % thể tích bình có thể đạt mật độ
tế bào 1-2g khô/lit.
 Nuôi trong bioreactor: thƣờng dùng trong sản suất công
nghiêp. môi trƣờng và tế bào vi sinh đƣợc đảo trộn bằng
cánh khuấy. Khi nuôi cấy quy mô lớn, oxy đƣợc cung cấp
bằng bơm khí.Cần phải duy trì cung cấp oxy liên tục
trong cả quá trình lên men hiếu khí
1.3.3. Các kiểu lên men và
nhu cầu oxy(tiếp)
 Sự phát triển nhanh của tế bào vi sinh vật đòi hỏi
lƣợng lớn oxy hoà tan trong môi trƣờng để có
thể tiếp xúc trực tiếp với màng tế bào
 Nhu cầu trao đổi oxy của vi sinh vật phụ thuộc
đặc điểm tế bào và điều kiện môi trƣờng
nuôi.Nếu nông độ oxy đạt 1mg/l thì nhu cầu oxy
của hầu hết tế bào đƣợc thoả mãn.
 Nếu mức oxy thấp hơn 1mg/l sẽ xảy ra lên men
yếm khí
1.3.4.Các công đoạn chính của
lên men công nghiệp
Gồm 3 công đoạn chính:
 Trƣớc lên men: Xử lý, chế biến, phối trộn và khử
trùng nguyên liệu

 Lên men trong bioreactor: trong dịch lên men diễn ra
quá trình tăng sinh khối tế bào và điều chỉnh hoạt
tính sinh học để tạo sản phẩm đích
 Sau lên men: Tách sinh khối tế bào, tủa, tinh sạch
các chất, thực hiện phản ứng bổ sung để tạo thƣơng
phẩm, tinh chế , bảo quản dạng thƣơng phẩm hoàn
chỉnh, đóng gói, tận dụng phế liệu…
a) Nguồn dinh dƣỡng và
nguyên liệu ban đầu
 Cần tạo môi trƣờng thích hợp cho sự sinh trƣởng của vi
sinh vật hoặc cho sản xuất các sản phẩm mục tiêu
 Môi trƣờng nuôi cấy thƣờng ở dạng lỏng, trong một số
trƣờng hợp có thể sử dụng môi trƣờng rắn
 Trong sản xuất chủ yếu dùng môi trƣờng tổng hợp.
Nguyên liệu tạo môi trƣờng ảnh hƣởng đến chất lƣợng của
sản phẩm
 Thành phần chủ yếu của môi trƣờng lên men gồm: nƣớc,
nguồn các bon hữu cơ, nguồn nitơ, các nguyên tố khoáng
và vitamin, các chất phá bọt khí
b) Hệ thống thiết bị
Thiết bị trƣớc lên men gồm :
 Bồn hay bể chứa các cơ chất ban đầu (hàng chục
nghìn m
3
) là nguyên liệu sản xuất
 Thiết bị làm vụn, nghiền nguyên liệu thô
 Thiết bị xử lý nguyên liệu (đƣờng hoá bột)
 Thiết bị phối trộn nguyên liệu và pha chế môi trƣờng
 Thiết bị khử trùng môi trƣờng (nồi hơi)
 Các thiết bị thƣờng đƣợc làm bằng vật liệu chống tác

động của hoá chất nhƣ inox, thép bọc nhựa epoxy ở
bề mặt tiếp xúc
b) Hệ thống thiết bị(tiếp)
Thiết bị lên men
(Fermentor- Bioreactor)
 Là thiết bị trung tâm của hệ
thống, đƣợc làm bằng inox,
dung tích thƣờng từ 100-
100.000 lit
 Có hệ thống khuấy trộn, có hệ
thống đo lƣờng và điều chỉnh
nhiệt độ, pH, oxy …thoả mãn
điều kiện phát triển tối ƣu của
vi sinh vật nuôi cấy
 Bioreactor phải bảo đảm độ vô
trùng và sử dụng tiết kiệm
nguyên liệu
Sơ đồ bioreactor
Một số loại bioreactor
Bioreactor sản xuất bia Bioreactor ở phòng thí nghiệm
Bioreactor công nghiệp
b) Hệ thống thiết bị(tiếp)
Các thiết bị sau lên men
 Thiết bị tách tế bào: các bồn lắng, máy li tâm, bộ lọc
ép hay lọc chân không…
 Thiết bị phá vỡ tế bào dùng thu nhận sản phẩm nội
bào
 Thiết bị cô đặc: làm bay hơi, lọc, màng trao đổi ion,
hấp phụ
 Thiết bị kết tinh (dùng cho mỳ chính, axit citric)

 Hệ thống sắc ký dùng tinh chế sản phẩm
 Thiết bị sấy
 Thiết bị bảo quản sản phẩm
c)Vận hành quá trình lên men
Nhân giống
 Khâu đầu của quá trình lên men bằng bioreactor
là tẩy rửa sạch, khử trùng bioreactor và cho môi
trƣờng vô trùng vào
 Tiếp theo là cho giống vi sinh vật vào với tỷ lệ 1-
10% tổng khối lƣợng của môi trƣờng nuôi. Để có
đủ giống cho bồn lên men lớn cuối cùng ngƣời ta
sử dụng một chuỗi các bồn lên men với thể tích
tăng dần (sơ đồ sau)
Tiến trình nhân giống thƣờng tiến hành nhƣ sau :Ống giống giữ ở nhiệt độ thấp
nuôi 10ml nuôi 200ml nuôi 3lit nuôi 30 lit nuôi 300lit và có
thể tiếp tục đến hàng chục, hàng trăm khối. Thời gian nhân giống nhanh hay chậm
phụ thuộc và chủng vi sinh vật sử dụng
c)Vận hành quá trình lên men
Các thông số kỹ thuật của bioreactor
 Sau khi cấy giống phải theo dõi và kiểm
soát hoạt động của bioreactor và các
thông số của quá trình nuôi cấy :
 Hàm lƣợng oxy hoà tan
 Nhiệt độ
 pH tối ƣu
 Khuấy trộn đều môi trƣờng nuôi cấy
c)Vận hành quá trình lên men
Các phƣơng thức lên men trong
bioreactor
 Lên men gián đoạn

 Lên men gián đoạn bổ sung
 Lên men liên tục
Lờn men giỏn on
Là dạng đầu tiên đựơc
dùng khi bắt đầu có
công nghệ lên men
Môi tr-ờng nuôi cho
một lần vào bồn lên
men, cấy giống và
thực hiện lên men đến
thu sản phẩm.
Đồ thị chu kỳ sinh tr-ởng của tế
bào khi lên men theo ph-ơng
pháp này có các pha đặc tr-ng:
A:pha tiềm sinh, B:pha số mũ,
C:pha tuyến tính, D:pha ổn định,
E:pha suy thoái.
A
B
C
D
E
Lờn men giỏn on b sung
Là kỹ thuật trong đó môi
tr-ờng nuôi cấy đ-ợc
cung cấp mới theo chu
kỳ để tổng thể tích môi
tr-ờng không đổi. Có
nghĩa là thể tích của môi
tr-ờng t-ơi đ-ợc bổ sung

t-ơng đ-ơng với tổng số
môi tr-ờng cũ đã bị
dùng hết.
Lên men liên tục
Trong ph-ơng pháp này sau 1
giai đoạn đều đặn cả tế bào và
một phần môi tr-ờng đ-ợc lấy
ra khỏi hệ thống nuôi cấy. Sau
đó một l-ợng môi tr-ờng t-ơi
đ-ợc bổ sung để tổng l-ợng
môi tr-ờng vẫn giữ nguyên
nh- ban đầu. Phần tế bào còn
lại tiếp tục sinh tr-ởng và lại
tăng số l-ợng
Lợi thế của ph-ơng pháp
này là 1 phần sinh khối đ-ợc
tái sử dụng khi cấy chuyển .