Bài giảng Công nghệ sinh học đại cương: Chương 4 - ThS. Ninh Thị Thảo

Chia sẻ: Minh Vũ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

116
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Công nghệ sinh học đại cương - Chương 4: Phương pháp và ứng dụng của công nghệ sinh học vi sinh và môi trường" cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm chung về CNSH vi sinh vật, giới thiệu các nhóm vi sinh vật, các sản phẩm của vi sinh vật và các hướng ứng dụng,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Công nghệ sinh học đại cương: Chương 4 - ThS. Ninh Thị Thảo

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- 106lit 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 m3) 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