CÔNG NGHỆ THU HỒI ( DOWNSTREAM PROCESSING TECHNOLOGY) TRONG CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC

CHUN ĐỀ
 
CÁC LOẠI SẢN PHẨM VÀ VAI TRỊ CỦA CƠNG NGHỆ
THU HỒI ( DOWNSTREAM PROCESSING TECHNOLOGY)
TRONG CÁC Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Ths. Mạc Văn Trọng

Jan 7, 2022

1


NỘI DUNG BÁO CÁO
 Mở đầu
 Lịch sử hình thành và phát triển công ngh ệ sinh h ọc
 Sản phẩm trong các q trình cơng ngh ệ sinh h ọc
 Vai trị của cơng nghệ thu hồi sản phẩm trong các q trình cơng ngh ệ sinh

học
 Kết luận

Jan 7, 2022

2


MỞ ĐẦU
 Công nghệ sinh học đã được ứng dụng trong cu ộc sống của con ng ười từ xa

xưa ( lên men rượu).

 Giống cây trồng đầu tiên được phát triển thông qua lai tạo (Thomas

Fairchild ,năm 1719) , định luật di truyền ( Mendel ,năm 1866), cho đ ến cu ộc
“Cách mạng xanh”, (Norman Borlaug) từ năm 1960 – 1990 s ản l ượng nơng
nghiệp trên tồn thế giới đã tăng gấp đôi, cứu sống khoảng 1 tỉ ng ười ở
những nước đang phát triển khỏi nguy cơ chết đói. Kể từ cu ộc “Cách m ạng
xanh”, vai trị của Cơng nghệ sinh học đã được tồn thể giới chú ý đ ến.
 Đến nay hầu hết ở các nước Công nghệ sinh học đ ều đ ược coi là m ột h ướng

khoa học công nghệ ưu tiên đầu tư và phát triển. Tuy nhiên s ản phẩm c ủa các
q trình sản xuất sử dụng cơng nghệ sinh học thường tồn tại ở n ồng đ ộ
lỗng, hàm lượng khơng cao, trong các hỗn hợp phức tạp. Việc sử dụng cũng
như nghiên cứu, phát triển, ứng dụng công nghệ thu hồi s ản phẩm
( Downstream processing technology) với các kỹ thu ật thu h ồi hi ện đ ại, hi ệu
suất cao là hết sức quan trọng.

Jan 7, 2022

3


LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CƠNG NGHỆ SINH
HỌC
 Công nghệ sinh học là ngành khoa h ọc ứng dụng, là s ự ph ối h ợp c ủa khoa h ọc và

công nghệ để khai thác những kiến thức về các hệ thống s ống cho các ứng d ụng ,
cho các mục đích cơng nghiệp.
 Là ngành mũi nhọn có tốc độ phát triển nhanh chóng Từ các s ản ph ẩm công
nghệ lên men truyền thống đến các sản phẩm của công nghệ sinh học hi ện đ ại
như: sinh vật biến đổi gen, động vật nhân bản, nuôi cấy tế bào g ốc, công ngh ệ

sinh học nano… và đang tạo ra một cuộc cách mạng sinh h ọc trong nông nghi ệp,
công nghiệp thực phẩm, y-dược, bảo vệ môi trường, vật liệu…
 Định nghĩa

UNESCO (1985) : Công nghệ sinh học là công nghệ sử dụng m ột bộ phận hay t ế
bào riêng rẽ của cơ thể sinh vật vào việc khai thác sản phẩm của chúng.
- Trường Luật Stanford (1995): Công nghệ sinh học là công ngh ệ chuy ển m ột hay
nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản ph ẩm và ch ức năng c ủa
gen đó.
 Sự khác biệt rõ rệt nhất của hai định nghĩa trên thuộc về đ ối tượng tác
động của công nghệ sinh học: cơ thể vsv-gen
-

Jan 7, 2022

4


Phát triển công nghệ sinh học qua ba cuộc cách mạng:
 Lần 1(đầu thế kỷ 20): sử dụng quá trình lên men đ ể s ản xu ất các s ản ph ẩm nh ư

acetone, glycerine, citric acid, riboflavin...
 Lần 2(sau thế chiến thứ 2): s ản xu ất kháng sinh, lên men công nghi ệp (acid
glutamic, các polysaccharide) - tạo ra chủng năng su ất cao.
 Lần 3(từ 1970): công nghệ DNA tái tổ hợp ( enzyme gi ới hạn, di truy ền ng ược…)
 Cơng

nghệ sinh học hình thành và phát triển qua 4 giai đoạn
 Giai đoạn 1: Sử dụng các phương pháp lên men vi sinh v ật đ ể ch ế bi ến và b ảo
quản thực phẩm.

 Giai đoạn 2: Hình thành cơng nghi ệp s ản xu ất thu ốc kháng sinh penicillin, kh ởi
đầu gắn liền với tên tuổi của Fleming, Florey và Chain (1940).
 Giai đoạn 3: Xác định được cấu trúc của protein (insulin), mơ hình c ấu trúc phân
tử DNA (1953). - công nghệ sinh học hiện đại
 Giai đoạn 4: Công nghệ DNA tái tổ hơp

Jan 7, 2022

5


 Phân biệt 2 nhóm cơng nghệ
 Cơng nghệ sinh học truyền thống

+ Thực phẩm lên men truyền thống
+ Công nghệ lên men vi sinh vật
+ Sản xuất phân bón, thuốc trừ sâu vi
sinh vật
+ Sản xuất sinh khối giàu protein
+ Nhân giống vơ tính bằng ni cấy mơ
và tế bào thực vật
+ Thụ tinh nhân tạo

 Công nghệ sinh học hiện đại
+ Nghiên cứu genome
+ Nghiên cứu proteome
+ Thực vật và động vật chuyển gen
+ Động vật nhân bản
+ Chip DNA (DNA chip)
+ Liệu pháp tế bào và gen

+ Protein biệt dược
+ Tin sinh học
+ Công nghệ sinh học nano
+ Hoạt chất sinh học

 Các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ sinh học:

+ Nông nghiệp
+ Y dược
+ Công nghiệp và chế biến thực phẩm
+ Môi trường

Jan 7, 2022

6


Bang 1. Một sô hương phát triển của công nghệ sinh học hiện đại
Lĩnh vực
Nông nghiệp
Y tế

Công nghiệp
thực phẩm

Ưng dụng
Tạo chủng vi sinh vật mới, xây dựng các phương pháp chọn
giống cây trồng và vật nuôi mới.
Dùng enzyme tạo các bộ cảm biến sinh học trong các thi ết b ị
phân tích y tế. Sử dụng tế bào vi sinh vật, tế bào động-th ực v ật

trong sản xuất thuốc (ví dụ: steroid) và tổng hợp các loại kháng
sinh mới. Sử dụng enzyme trong chữa trị bệnh.
Xây dựng và hoàn thiện các phương pháp chế biến và bảo qu ản
thực phẩm mới, sản xuất chất bổ sung vào thực phẩm
(vitamin, amino acid...), sử dụng protein đơn bào và enzym e
trong cơng nghệ chế biến thực phẩm.

Giám sát mơi
trường

Hồn thiện các phương pháp dự đốn và giám sát tình trạng
mơi trường. Hoàn thiện các phương pháp xử lý chất thải (đăc
biệt là chất thải cơng nghiệp).
Sản xuất hóa Sản xuất các acid hữu cơ (citric acid, itaconic acid, acetic acid...),
chất
sản xuất enzyme làm chất tẩy rửa.
Năng lượng
Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng các dự án l ớn s ản
xuất ethanol dùng làm nhiên liệu.
Jan 7, 2022

7


SẢN PHẨM TRONG CÁC Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC
1.

SẢN PHẨM CƠNG NGHỆ SINH HỌC: Theo lĩnh vực



Cơng nghệ sinh học truyền thống tạo ra những sản phẩm có đăc tính riêng
biệt như các thực phẩm lên men từ đậu, rượu gạo, bia, xì dầu... Các sinh v ật
sống (như nấm men, vi khuẩn) hoăc các phân tử sinh học được khai thác đ ể
sản xuất đồ uống có cồn, bánh mì, kháng sinh, vaccine, vitamin, enzyme cơng
nghiệp, phụ gia thực phẩm.



Công nghệ sinh học hiện đại đã cho phép phát hiện, chẩn đoán nhiều loại
bệnh ở mức phân tử; sản xuất nhiều loại thuốc và vaccine mới an toàn h ơn;
sản xuất nông nghiệp với sản lượng tăng, chi phí giảm, chất lượng mơi
trường và sức khỏe con người được cải thiện; sản xuất thực phẩm với chất
lượng dinh dưỡng cao, không bị hư hỏng, không gây dị ứng...



Y dược: Liệu pháp protein, liệu pháp gen, các bộ kit chẩn đoán b ệnh b ằng
phương pháp PCR và các DNA vaccine , sản xuất thuốc chữa bệnh nh ư
interferon, insulin, interleukin, hormone sinh trưởng ở người...



Môi trường: Sử dụng vi sinh vật cho quá trình xử lý. Các hệ thống lọc, b ể l ọc,
quá trình lắng và khử trùng

Jan 7, 2022

8

 Nông nghiệp: tạo ra các giống cây trồng công nghệ sinh học/ cây trồng biến đ ổi

gen (Genetically Modified Crops - GMCs) mang nh ững đ ặc tính mong mu ốn thông
qua kỹ thuật chuyển gen
27 quốc gia trên thế giới canh tác đại trà cây trồng
công nghệ sinh học (19 quốc gia đang phát triển và 8
quốc gia phát triển) (2013)
1.Hoa Kỳ (70,1 triệu hecta),
2.Brazil (40,3 triệu hecta),
3. Argentina (24,4 triệu hecta);
4. Ấn Độ (11 triệu hecta)
5.Canada (10,8 triệu hecta).

Trong 18 năm (1996 - 2013), diện tích cây trồng công
nghệ sinh học đã tăng liên tục tới hơn 100 lần (từ 1,7
lên 175,2 triệu hecta)

Jan 7, 2022

9


SẢN PHẨM CƠNG NGHỆ SINH HỌC: Theo cơng
nghệ
- Cơng nghệ gen và công nghệ DNA tái tổ hợp: các sản phẩm chuẩn đốn, điều trị
- Cơng nghệ tế bào: Sản phẩm chọn, tạo giống mới trong nông – lâm nghiệp, th ủy s ản và
phát triển liệu pháp tế bào trong y tế.
- Công nghệ enzyme – protein: sản phẩm công nghiệp thực phẩm, dược phẩm (sản xuất
vaccine thế hệ mới và kit chẩn đốn).

- Cơng nghệ lên men, ni cấy mô tế bào: Nghiên cứu, đánh giá và ứng dụng tài nguyên vi
sinh vật; tạo chủng giống; lên men vi sinh vật, nuôi cấy t ế bào đ ộng v ật, th ực v ật.
- Công nghệ sinh học nano: Rất nhiều sản phẩm của ngành khoa học mới mẻ này như
hạt nano, cảm biến sinh học, microarray đã dùng trong lĩnh v ực y d ược, sinh h ọc, các
ngành công nghiệp thực phẩm và nông nghiệp.
- Kháng thể đơn dòng: Sử dụng các tế bào của hệ thống miễn dịch để sản xu ất kháng
thể - protein giúp cơ thể chống lại sự xâm nhập của các tế bào ngoại lai nh ư virus, vi
khuẩn…

Jan 7, 2022

10


2. SẢN PHẨM CÔNG NGHỆ LÊN MEN, NUÔI CẤY MÔ TẾ BÀO

 Vai trò của các kỹ thuật thu hồi nói riêng và cơng ngh ệ thu h ồi nói chung đ ược
thể hiện rõ nhất trong nghiên cứu sản xuất thu nhận các sản phẩm từ công
nghệ lên men vi sinh vật hoăc nuôi cấy mô tế bào động, thực v ật.
 Với việc áp dụng các kỹ thuật di truyền in vitro ( DNA tái tổ hợp) đã mở rộng
phạm vi các sản phẩm được sản xuất bởi vi sinh vật, cung cấp các phương
pháp mới để tăng sản lượng của những sản phẩm đó. Khai thác thương mại
sự đa dạng hóa sinh của các vi sinh vật đã thúc đ ẩy phát tri ển công nghi ệp lên
men, và các kỹ thuật di truyền đã thiết lập một nền công nghi ệp ưu th ế tạo cơ
hội phát triển các quá trình mới và cải thiện những q trình đang có.

Jan 7, 2022

11

Bản chất của công nghệ lên men
 Thuật ngữ lên men (fermentation) trong cơng ngh ệ vi sinh có ngu ồn g ốc t ừ đ ộng t ừ

Latin fervere nghĩa là đun sôi, mô tả sự hoạt động của nấm men trên d ịch chi ết c ủa
trái cây hoăc các hạt ngũ cốc được tạo mạch nha (malt) trong s ản xu ất đ ồ u ống có
ethanol.
 Vi sinh vật học: Là quá trình s ản xu ất m ột s ản ph ẩm b ằng nuôi c ấy sinh kh ối vi

sinh vật.
 Hóa sinh học: Là quá trình sản sinh ra năng l ượng trong đó các h ợp ch ất h ữu c ơ

hoạt động với vai trò vừa là chất cho lẫn chất nhận điện tử, ( q trình y ếm khí,
năng lượng được sản xuất không cần sự tham gia của oxygen hoăc các ch ất nh ận
điện tử vô cơ khác.)
 Lên men vi sinh vật và nuôi cấy mô tế bào ( đ ộng v ật, th ực v ật ) th ực ch ất là

q trình ni cấy trong các thiết bị đ ặc trưng làm tăng sinh kh ôi( lên men
trong fermentor, nuôi cấy tế bào trong hệ thơng bioreactor) nhằm đ ạt đ ược
mục đích thu nhận các san phẩm sinh học mong muôn.

Jan 7, 2022

12


Quá trình lên men

Jan 7, 2022

13


Phân loại lên men:
Theo kiểu vận hành (lên men theo mẻ, lên men theo mẻ có bổ sung dinh d ưỡng,

lên men liên tục).
Theo độ kín của hệ thống (lên men hở, lên men vơ trùng).
Theo sự thơng khí (lên men hiếu khí, lên men kỵ khí).
Theo kiểu thiết bị sử dụng (lên men nổi, lên men chìm)

Các san phẩm thu nhận của quá trình:
Sinh khối vi sinh vật hoăc tế bào động thực vật
Các chất trao đổi của quá trình ( chất trao đổi sơ cấp, thứ cấp…)
Các loại enzyme
Các sản phẩm tái tổ hợp.

Jan 7, 2022

14


Bảng 2. Một số sản phẩm tái tổ hợp
A. Các sản phẩm thương mại
Tên thương mại
Elitex
Glucagen
Leukine
Refuldan
Regranex rh

Revasc

Protein
Angiostatin
Elastase inhibitor

Protein tái tổ hợp
Urate oxidase
Glucagon
GM-CSF
Hirudin/lepirudin
Yếu tố sinh trưởng có
nguồn gốc tiểu huyết cầu
Hirudin/desirudin

Cơng ty
Hệ thống biểu hiện
Sanofi-Synthelabo
S. cerevisiae
Novo Nordisk
S. cerevisiae
Berlex
S. cerevisiae
Hoechst
S. cerevisiae
Ortho-McNeil Phama (US), S. cerevisiae
Janssen-Cilag(EU)
Aventis
S. cerevisiae

B. Các sản phẩm chưa hoàn chỉnh
Chỉ định
Cơng ty

Hệ thống biểu hiện

Yếu tố chống hình thành EntreMed
u mạch
Bệnh xơ nang
Dyax
Yếu tố chống hình thành EntreMed
u mạch
Bệnh tiểu đường
Transition Therapeutis

P. pastoris

U mạch di truyền

P. pastoris

P. pastoris
P. pastoris

Endostatin
Epidermal growth factor
P. pastoris
analog
Insulin-like growth factor-1 Thiếu hụt yếu tố 1 sinh Cephalon
P. pastoris

trưởng giống insulin
Human serum albumin
Ổn định thể tích máu Mitsubishi Pharma (formely P. pastoris
trong các vết bỏng/sốc
Welfide)
Kallikrein inhibitor

Dyax

Jan 7, 2022

15


VAI TRỊ CỦA CƠNG NGHỆ THU HỒI SẢN PHẨM TRONG CÁC
Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC
1. Tầm quan trọng của thu hồi sản phẩm.



Sản phẩm của các quá trình sản xu ất sử dụng công ngh ệ
sinh học thường tồn tại ở nồng độ loãng trong 1 hỗn hợp
phức tạp.



Thu hồi sản phẩm (downstream processing) từ hỗn hợp
trên là quá trình nâng cao nồng độ và tinh chế 1 chất
mong muốn.



Thu hồi 1 sản phẩm phụ thu ộc rất lớn vào bản chất của
sản phẩm, quy mô thị trường, giá trị bán trên thị trường
của sản phẩm và các tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm.



Vấn đề kinh tế sẽ quyết định liệu 1 quá trình sản xuất, thu hồi sẽ được thực hiện ở quy mô
công nghiệp hay không. Trong sản xuất công nghiệp, khi quy mô sản xu ất càng tăng thì tính
kinh tế của phương pháp thu hồi sản phẩm tr ở nên đ ăc bi ệt quan trọng - Giá thành thu hồi
sản phẩm thường chiếm trên 50% giá thành sản phẩm cuối cùng.

Jan 7, 2022

16




Quyết định hiệu quả kỹ thuật, hiệu quả kinh tế của quá trình sản xu ất

 Hiệu suất thu hồi từng giai đoạn của quy trình cao - Hiệu suất thu hồi tồn bộ cao :
Qui trình 8 giai đoạn với hiệu suất thu hồi của từng giai đoạn là 85% thì hi ệu su ất thu h ồi t ổng c ộng c ủa c ả
quá trình chỉ là 27%. Muốn hiệu suất thu hồi tổng c ộng c ủa c ả quá trình là 94% thì hi ệu su ất thu h ồi c ủa
từng giai đoạn trên cần đạt trên 99%)

 Công nghệ cũ, sử dụng nhiều thiết bị phân tách thấp, cần nhiều công đoạn thu hồi, chi phí
lớn, hiệu quả thấp. Cơng nghệ hiện đại sử dụng thiết bị phân tách cao, hiệu quả thu hồi lớn,
chi phí tiết kiệm .

 Quyết định sự phân mảng thị trường sản phẩm công nghệ sinh học trong công
nghiệp sinh học
 Khái niệm thu hồi và tinh chế sản phẩm là khác nhau. Tính chất của sản phẩm, giá bán và
nhu cầu thị trường của đa số sản phẩm hầu như là xác định nhưng giá trị gia tăng ( lợi
nhuận ) của sản phẩm hay lợi nhuận có thể khác nhau rất nhiều.
 Sự phân mảng thị trường dựa trên độ lớn của thị trường và giá bán của sản phẩm. Các giá
trị này được quyết định bởi hiệu suất và công nghệ thu hồi sử dụng trong sản xuất các sản
phẩm đó.

Jan 7, 2022

17


- Khu vực 1: factor VIII hay urokinase...
- Khu vực 2: Insulin, glycerophosphate
dehydrogenase,lutiferase,..
- Khu vực 3: kháng sinh, protease, amylase, axit hữu
cơ (lactic, acetic citric), dung môi hữu c ơ (ethanol,
butanol,...vv).

Jan 7, 2022

18


2. Nhu cầu sử dụng các sản phẩm công nghệ sinh học

Jan 7, 2022

19


3. Nhu cầu phát triển sản phẩm công nghệ sinh học
 Sự cần thiết phát triển sản phẩm

Các kỹ thuật dùng trong q
trình thu hồi sản phẩm cơng
nghệ sinh học sử dụng phụ
thuộc vào mục đích, nhu cầu sử
dụng sản phẩm

Jan 7, 2022

20


 Sự quay vòng sản phẩm
 Quay vòng phát triển sản phẩm nhằm hồn thiện qui trình sản xuất là việc làm thường xuyên,

cần thiết để đảm bảo hiệu quả kinh tế, đáp ứng yêu cầu của thị trường.

 Các kỹ thuật thu hồi sản phẩm cũng sẽ

được lựa chọn theo mục đích sử dụng
của từng giai đoạn.
 Các đăc điểm của q trình phát triển,
cũng như quay vịng sản phẩm sẽ xác
định trình tự qui trình thu hồi sản

phẩm.
 Sự phát triển mỗi bước thu hồi cũng
bắt đầu từ những thử nghiệm qui mơ
phịng thí nghiệm đến đích cuối cùng là
sản xuất công nghiệp

Jan 7, 2022

21


KẾT LUẬN
1.

Công nghệ sinh học là ngành khoa học ứng dụng hiểu biết của con ng ười v ề các
hệ thống sống để sử dụng các hệ thống này hoăc các thành phần của chúng cho
các mục đích cơng nghiệp.

2.

Các sản phẩm công nghệ sinh học vô cùng đa dạng cả về số lượng và chất lượng,
các sản phẩm công nghệ sinh học phân bố đều trong các lĩnh vực nông nghiệp, y
dược, công nghiệp chế biến thực phẩm, xử lý mơi trường.

3.

Sản phẩm của các q trình sản xuất sử dụng công nghệ sinh học thường tồn tại
ở nồng độ loãng trong 1 hỗn hợp phức tạp. Các kỹ thuật thu hồi sản phẩm hiện
đại, thu hồi có độ phân tách cao sẽ giải quy ết được vấn đề nâng cao n ồng đ ộ và
tinh chế các sản phẩm mong muốn. Nâng cao hiệu suất, tăng hiệu quả kinh tế.

4.

Trong công nghệ sinh học hiện đại ngày nay, cơng nghệ thu hồi cần được nhìn
nhận và đánh giá đúng vai trò quy ết đ ịnh lên ch ất l ượng, tính ch ất và giá thành
của sản phẩm cơng nghệ sinh học, để từ đó có những đầu tư nghiên cứu, ứng
dụng và khai thác triệt để hiệu quả công nghệ này trong việc phát triển s ản xu ất

Jan 7, 2022

22


Xin trân trọng cam ơn

Jan 7, 2022

23