9/24/2018
1
Chương II
ỨNG DỤNG VSV TRONG SINH TỔNG HỢP
CÁC SẢN PHẨM DÙNG TRONG CHĂN NUÔI
Nội dung của chương:
Cơ sở của việc sử dụng vi sinh vật để sản xuất
các sản phẩm sinh tổng hợp
Các sản phẩm của công nghệ vi sinh
Sản xuất sinh khối vi sinh vật
Sản xuất một số enzyme sử dụng trong chăn
nuôi
2.1. CƠ SỞ CỦA VIỆC SỬ DỤNG VSV TRONG SẢN XUẤT
CÁC SẢN PHẨM SINH TỔNG HỢP
2.1.1. Tốc độ sinh trưởng cực kỳ nhanh chóng
Tốc độ sinh tổng hợp các hợp chất là rất lớn. Thời gian thế
hệ ngắn
Loại sinh vật Thời gian tăng gấp đôi khối lượng
Vi khuẩn và nấm men 10 – 120 phút
Nấm mốc và Tảo 2 – 6 giờ
Cỏ và một số thực vật 1 – 2 tuần
Gà 2 – 4 tuần
Lợn 4 – 6 tuần
Trâu, bò 1 – 2 tháng
Người 0,2 – 0,5 năm
(Israelidis, 2003)
Không chỉ sinh trưởng nhanh chóng mà vi sinh
vật còn có khả năng tổng hợp protein cao hơn rất
nhiều so với các sinh vật khác.
2.2.1. TB VSV có hàm lượng protein cao.Giá trị sinh học của
protein VSV không thua kém protein từ TV và ĐV
Thành phần dinh dưỡng của một số nhóm VSV tính theo VCK
(Miller và cs. 1976)
Hàm lượng N và protein của VSV so sánh với
một số thức ăn khác (Karatyan, 1978)
9/24/2018
2
2.2.3. Có khả năng thích ứng cao, biến dị lớn: ứng dụng trong
gây đột biến cảm ứng để chọn lọc các giống vi sinh vật có năng
suất cao như các vi sinh vật sử dụng để sản xuất kháng sinh…
2.2.4. Chủng loại lớn và đa dạng: cho phép lựa chọn vi sinh vật
thích hợp cho sản xuất các sản phẩm không tổng hợp được
bằng phương pháp hoá học.
2.2.5. Có thể phát triển trên nhiều nguồn dinh dưỡng khác nhau
•Hữu cơ hoặc vô cơ
•Chất phi thực phẩm - phụ phẩm công, nông nghiệp.
2.2.6. Có thể sinh trưởng phát triển ở các điều kiện sống khác
nhau: Điều kiện nuôi cấy và lên men của VSV đơn giản. Có
thể nuôi cấy liên tục, không phụ thuộc vào thời tiết khí hậu,
không cần diện tích đất lớn.
Khả năng công nghiệp hoá trong sản xuất cao: Cho phép tiết
kiệm được diện tích, thời gian và chủ động trong sản xuất.
2.2. SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ VI SINH
2.2.1. SINH KHỐI
Là khối lượng tế bào VSV thu được sau quá trình lên men.
Các chất dinh dưỡng được chuyển hoá thành vật chất của tế bào
để tăng nhanh số lượng tế bào theo sự biến đổi sau:
Cơ chất
tế bào.
Sinh khối gồm có hai dạng:
-Khối lượng vật chất chủ yếu của các tế bào chết (Protein
đơn bào -SCP-Single cell protein): thu được từ quá trình nuôi
cấy vi sinh vật như nấm men hoặc vi khuẩn và được sử dụng để
thay thế các thực phẩm giàu protein trong TA chăn nuôi hoặc để
bổ sung vào trong khẩu phần ăn cho người.
-Khối lượng các tế bào sống có hoạt tính: Sinh khối sau khi
nuôi cấy gồm các TB vi sinh vật còn sống, tiếp tục sinh trưởng
và thể hiện vai trò khi được sử dụng. (giống khởi động, chế
phẩm probiotics, phân bón cố định đạm, thuốc trừ sâu vi sinh,
men bánh mì, vaccine...
Protein đơn bào (SCP-single cell protein)
•Thuật ngữ “Protein đơn bào” được sử dụng đầu tiên bởi giáo sư
Carol Wilson năm 1966 để mô tả nguồn protein thu được từ VSV
•Năm 2003, Israelidis đã đưa ra khái niệm protein đơn bào là các tế
bào đã chết và được sấy khô của một số nhóm VSV như tảo, nấm,
vi khuẩn thu được sau khi nuối cấy trên các nguồn carbon khác
nhau.
•Protein đơn bào được sử dụng trong dinh dưỡng ĐV như một
nguyên liệu cung cấp protein: sử dụng trong chăn nuôi lợn, gia
cầm, trâu bò, nuôi trồng thủy sản và đặc biệt bổ sung các axit
amin, vitamin cho thú nuôi cảnh
•Một số nhóm VSV chủ yếu sử dụng để sản xuất protein đơn bào:
-Nấm men: một số loài Candida và Saccharomyces cerevisiae
-Nấm sợi (Aspergillus niger, Aspergillus oryzae…)
-Vi khuẩn (Bacillus subtilis, Bacillus megaterium, Lactobacillus sp.)
-Vi tảo/vi khuẩn lam (Spirulina, Chlorella, Scenedesmus..)
Giống khởi động (Starter culture)
•Giống khởi động là những VSV được chọn lọc để hỗ trợ quá
trình lên men hay tăng hiệu quả của quá trình nuôi cấy vi
sinh vật.
•Giống khởi động có thể là dung dịch nuôi cấy thuần hoặc các
sản phẩm thương mại.
•Các vi sinh vật sử dụng làm giống khởi động thường là vi
khuẩn, nấm men hoặc nấm sợi. Có thể là đơn chủng hoặc đa
chủng
•Chọn lọc các chủng giống khởi động dựa trên các tiêu chí:
khả năng lên men sản sinh axit lactic tốt; chịu được pH thấp;
sinh trưởng tốt ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau; sản sinh
các enzyme ngoại bào tốt; sản sinh các sản phẩm trao đổi chất
có lợi như hợp chất kháng khuẩn, các hợp chất tạo hương vị
của sản phẩm…
2.2.2. CÁC SẢN PHẨM TĐC
Là các sản phẩm khác thu được cùng với tế bào sau quá trình
lên men, theo sự biến đổi cơ chất của môi trường như sau:
Cơ chất
sản phẩm + tế bào
Các sản phẩm TĐC bao gồm các loại:
a. Sản phẩm TĐC sơ cấp/bậc 1 (primary metabolites):
*Các sản phẩm của quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ: rượu,
axit hữu cơ (a. acetic, a. lactic, a. citric…), các chất khí.
phân giải
Cơ chất Sản phẩm
enzyme ngoại bào
*Thành phần cấu trúc tế bào : lipid, vitamins, polysaccharides
* Các enzyme ngoại bào: Cellulase, amylase, protease…
* Các chất trung gian trong quá trình tổng hợp thành phần TB:
nucleoid, amino acids
Đặc điểm: Hình thành trong pha sinh trưởng logarith; cần thiết cho
quá trình sinh trưởng, phát triển và sinh sản của TB
b. Sản phẩm TĐC thứ cấp/bậc 2 (secondary
metabolites):
•Gồm kháng sinh (penicillin…), các chất kích thích hoặc kìm
hãm sinh trưởng, các độc tố, ergot alkaloids, naphtalenes, ....
•Đặc điểm của các sản phẩm TĐC bậc hai:
- Các chất này được hình thành sau khi sinh trưởng kết thúc
(cuối pha logarith hoặc ở đầu pha cân bằng) hoặc khi môi
trường thiếu dinh dưỡng, các điều kiện sống không thích hợp
cho sự phát triển của vi sinh vật
- Không cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển, sinh sản của
tế bào vi sinh vật. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, ĐTC
bậc 2 tạo ra các sản phẩm với mục đích giúp bảo vệ sự tồn tại
của tế bào như các hợp chất kháng khuẩn, các độc tố.
Quá trình TĐC bậc 2 ở vi sinh vật cung cấp nhiều sản
phẩm dược phẩm quan trọng trong đời sống như các kháng
sinh, kháng nấm, kháng côn trùng…
9/24/2018
3
2.3. Các quá trình lên men VSV
2.3.1. Phân loại các quá trình lên men:
- Phân loại theo sự phát triển của vi sinh vật trong môi trường:
+ Lên men chìm: lên men ở bề sâu của môi trường lỏng lỏng
+ Lên men bề mặt: Lên men nổi trên bề mặt của môi trường
rắn hoặc lỏng
- Phân loại theo nguyên lý hoạt động của thiết bị lên men:
+ Nuôi cấy mẻ (Lên men tĩnh)
+ Nuôi cấy mẻ có bổ sung cơ chất (Fed-batch culture)
+ Lên men liên tục
- Phân loại theo điều kiện lên men:
+ Lên men hiếu khí: cung cấp oxy nhờ sục khí (SX sinh khối)
+ Lên men yếm khí: sản xuất rượu, bia
2.3.2. Phương pháp nuôi cấy chìm
-Ưu điểm: Tốn ít mặt bằng trong xây dựng và lắp đặt dây
chuyền; chi phí điện năng, nhân lực và các khoản phụ cho
một đơn vị sản phẩm thấp; Các thiết bị lên men chìm dễ cơ
khí, tự động hóa; Dễ tổ chức và sản xuất với quy mô lớn
-Nhược điểm:
+ Đòi hỏi trang bị kỹ thuật cao, dễ bị nhiễm trùng toàn bộ
môi trường. Vì vậy, phương pháp này đòi hỏi điều kiện vô
trùng cao.
+ Phương pháp lên men chìm đòi hỏi phải khuấy đảo và sục
khí liên tục vì vi sinh vật chỉ sử dụng được oxy hòa tan trong
môi trường. Khí được nén qua một hệ thống lọc sạch tạp
khuẩn. Hệ thống này khá phức tạp và dễ gây nhiễm trùng
cho môi trường lên men.
2.3.3. Phương pháp nuôi cấy bề mặt/Lên men xốp
Là phương pháp nuôi cấy mà VSV sẽ sinh trưởng trên bề mặt của môi
trường.
Cơ chất sử dụng để lên men như cám, bột ngô, bột sắn, bột sữa…… Thực tế
thường dùng chủ yếu dùng cám gạo loại I, vì cám có đủ các chất dinh dưỡng
và cấu trúc xốp ẩm, thích hợp cho sự phát triển của nấm men.
Môi trường phải đạt độ ẩm 58-60%, điều chỉnh ở độ pH thích hợp ; sau khi
khử trùng ở 1-1,5 atm trong 45-60 phút, trải mỏng với độ dày 2-2,5 cm vào
các khay. Thời gian nuôi cấy: 36-60 giờ, tùy thuộc vào chủng giống
Ưu điểm: Chế phẩm dễ sấy khô, ít bị giảm hoạt tính, dễ vận chuyển và sử
dụng.
- Không cần các thiết bị phức tạp, tiêu thụ năng lượng ít nên thích hợp với
nhiều vùng sản xuất.
- Trong quá trình nuôi cấy nếu bị tạp nhiễm thì chỉ cần loại bỏ cục bộ từng
phần.
Nhược điểm: Thu sinh tế bào khối khó, vì phải thu cả cơ chất. Thường sử
dụng để sản xuất chế phẩm sinh học hoặc sản xuất enzyme.
Cần mặt bằng lớn và chi phí lao động cao, khó cơ giới hoá trong sản xuất
2.4. SẢN XUẤT SINH KHỐI VI SINH VẬT
2.4.1. Sản xuất sinh khối vi tảo và vi khuẩn lam
a. Ưu điểm và nhược điểm của vi tảo, vi khuẩn lam
*Ưu điểm:
•Có hàm lượng dầu, carbohydrate và protein cao nên được ứng dụng
nhiều trong các lĩnh vực: sản xuất thực phẩm, thức ăn cho người, vật
nuôi; sản xuất dầu sinh học, các sản phẩm dược….
•Chủng loại đa dạng, phổ biến rộng rãi
•Có tốc độ sinh trưởng nhanh chóng: vòng đời ngắn (vài ngày). Kích
thước tế bào lớn, thu sinh khối lớn
•Nhu cầu dinh dưỡng đơn giản: ánh sáng, nước, CO2và một số chất vô
cơ
•Không bị virus tấn công; Không sản sinh các độc tố nguy hiểm.
•Có thể tận dụng nguồn nước thải, hoặc phát triển được trong các
mương, rãnh nước thải, ao nuôi… để nuôi trồng tảo.
Tuy nhiên, chúng cũng có một số nhược điểm như:
-Nhiều chất diệp lục không được khuyến cáo sử dụng cho người;
-Tốn diện tích nếu nuôi ngoài tự nhiên và bị ảnh hưởng bởi điều kiện ngoại
cảnh. Nếu nuôi trong nhà thì tốn năng lượng cho quá trình điều khiển môi
trường (điện chiếu sáng, nhiệt độ, chế độ thổi khí…)
Tóm tắt quy trình sx
Quy trình sản xuất:
1. Chọn giống 2. Chuẩn bị môi trường nuôi cấy
3. Nuôi trồng qui mô pilot 4. Nuôi trồng ở qui mô sản xuất
5. Thu hoạch -Tách nước 6. Xử lý/chế biến 7. Thành phẩm
9/24/2018
4
a. Chọn giống
- Tùy vào mục đích sx để lựa chọn các loài phù hợp: VD:
vi tảo thường được lựa chọn để sx dầu sinh học (sinh
trưởng nhanh chóng, hàm lượng lipid cao, có thể tận dụng
nguồn nước thải…)
- Sử dụng kỹ thuật gen để nâng cao chất lượng/năng suất
của giống sx
Một số giống tảo được sản xuất chủ yếu:
Chlorella vulgaris, Chlorella pyrenoidosa, Scenedesmus
quadricauda, Haematococcus pluvialis, Dunaliella salina…
Giống vi khuẩn lam: Spirulina platensis, Spirulina
maxima; Synechococcus
Tảo, vi khuẩn lam giống được lựa chọn làm giống phải đạt
các tiêu chí sau:
-Có thành phần dinh dưỡng đáp ứng mục đích/yêu cầu
của sản xuất: Ví dụ: tảo nuôi để sản xuất dầu phải có hàm
lượng triacylglycerols, lipid cao; Tảo, vi khuẩn lam sư
dụng để sản xuất thực phẩm, thức ăn gia súc… phải có
thành phần dinh dưỡng chứa nhiều axít amin thiết yếu,
giàu protein, vitamin, khoáng chất…
-Sinh trưởng nhanh (1 vài ngày), tạo sinh khối lớn, mật độ
cao (>5 triệu tb/ml); Dễ thu hoạch
-Thích nghi tốt với điều kiện khí hậu/môi trường, chịu
nhiệt, chịu mặn…
-Không hấp phụ các độc tố: pb, asen…
Một số giống tảo, vi khuẩn lam được sử dụng để sản
xuất sinh khối
b. Chuẩn bị môi trường
* Nguồn nước: Có thể dùng nhiều nguồn nước khác nhau để nuôi
tảo như nước giếng khoan (có chứa nhiều chất vô cơ có ích,
nhưng cần phải loại bỏ các chất độc như chì, arsen,…); nước máy
(có nhiều khoáng tốt nhưng đắt); Nước biển, suối nước khoáng
(có chứa nhiều dưỡng chất tốt cho tảo phát triển)
Các phương pháp khử trùng:
- Hấp tiệt trùng (ở 120oC/15-45 phút tùy vào thể tích nước);
- Khử trùng Pasteur (80oC/1-2 giờ);
- Sử dụng tia UV để khử môi trường nuôi trong ống nghiệm,
bình tam giác, thùng….
- Với thể tích nuôi cấy >20 lít có thể sử dụng phương pháp lọc
với đường kính lỗ lọc 1µm hoặc xử lý với axit HCl ở pH 3,
trung hòa axit sau 24 giờ với sodium cacbonate Na2CO3.
* Yêu cầu về dinh dưỡng:
- Khoáng đa lượng: Nitrate (NO3-) NH3, muối amon; Phosphat,
Ca, Na, K, silicate…
- Khoáng vi lượng: Cu, Zn, Mn, Co…
- Vitamins: thiamin (B1), cyanocobalamin (B12), Biotin…
Hai môi trường được sử dụng rộng rãi và phù hợp với sự phát
triển của phần lớn các loài tảo là môi trường Walne (cải tiến từ
môi trường của Laing, 1991) và môi trường Guillard’s F/2 (cải
tiến từ môi trường của Smith và cs.,1993).
Ngoài ra, có thể kết hợp các môi trường trên với các loại phân
bón dưới đây cho sản xuất sinh khối vi tảo ở quy mô công nghiệp
Môi trường Walne (cải tiến từ môi trường của Laing, 1991)
9/24/2018
5
Các loại phân bón sử dụng trong nuôi trồng tảo ở quy
mô công nghiệp (cải tiến từ Palanisamy và cs., 1991)
*Các điều kiện sinh trưởng của tảo:
-Ánh sáng: nguồn năng lượng chủ yếu. Ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp
hoặc nhân tạo (đèn huỳnh quang; tối thiểu 18 giờ/ngày). Cường độ chiếu
sang từ 1000-10.000 lux tùy thuộc vào thể tích bể và mật độ nuôi trồng
(thích hợp từ 2500-5000 lux)
-Độ pH: phần lớn các loài tảo có thể sinh trưởng ở môi trường kiềm pH
7-9,5. Khoảng thích hợp cho sprirulina từ 8,5-9, tảo chlorella cần MT
trung tính 8,2-8,7
-Sục khí: liên tục hoặc 24/24h
-Khuấy đảo: cần thiết để tránh hiện tượng sa lắng tảo, tăng cường trao đổi
khí; tảo tiếp cận tốt với dinh dưỡng, ánh sáng, tránh hiện tượng phân
tầng. Tùy thuộc vào mô hình nuôi trồng mà có phương pháp khuấy đảo
khác nhau.
•Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp cho các loài tảo phù du từ 20-24oC (Mức
tối thiểu không <20oC và mức tối đa không >38oC). Đối với Sprirulina
nhiệt độ thích hợp 35oC.
-Độ mặn: Nồng độ muối giao động 12-40g/l, thích hợp từ 20-24g/l
c. Nuôi trồng tảo
* Các hệ thống nuôi trồng tảo:
-Nuôi trong nhà/ngoài trời (Indoor/outdoor)
-Hệ thống hở/kín (Open/closed)
-Hệ thống vô trùng/không vô trùng (Anxenic/Xenic)
-Nuôi cấy mẻ/đợt/lứa, nuôi cấy liên tục và bán liên tục (Batch,
continuous, semi-continuous)
SX quy mô công nghiệp: thường sử dụng hệ thống nuôi cấy vô
trùng, liên tục hoặc bán liên tục như phytobioreactor để kiểm soát
tốt năng suất, chất lượng
*Lựa chọn địa điểm nuôi tảo
- Nơi nuôi tảo phải có lượng chiếu sáng thích hợp giúp tảo sinh
trưởng bình thường, giảm chi phí chiếu sáng
- Chủ động nguồn nước nuôi tảo, nước không bị ô nhiễm
- Giao thông thuận tiện cho việc vận chuyển nguyên liệu đầu vào
và sản phẩm sau thu hoạch.
- Nơi có hệ thống điện lưới tốt
Hệ thống mở (open system) Hệ thống kín (closed system)
Các hồ nuôi tảo Spirulina ở Bình Thuận của
Công ty Tảo Vĩnh Hảo.
HT nuôi đợt (batch culture) HT nuôi liên tục (continuous
culture)
Production scheme for batch culture of algae (Lee and
Tamaru, 1993)