Công nghệ lên men

Công nghệ lên men Công nghệ lên men  Định nghĩa: quá trình biến đổi do vi sinh vật thực hiện trong điều kiện yếm khí hay hiếu khí  Sản phẩm  Sinh khối vi sinh vật  Enzym – protein vi sinh vật  Sản phẩm trao đổi chất: sơ cấp + thứ cấp  Các biopolymer và biosurfactant  Sản phẩm tái tổ hợp gen Chủng vi sinh vật 1: Không gây bệnh cho người, động vật và môi trường (GRAS - Generally Recognized As Safe) 2: Có thể gây khó chịu cho người, động vật và môi trường 3: Gây bệnh, truyền bệnh nhưng có cách chữa trị 4: Gây bệnh, truyền bệnh rất nhanh nhưng chưa có cách chữa trị Thu nhận chủng  Phân lập từ môi trường  “săn lùng” (shotgun)  có định hướng (objective)  Ngân hàng chủng  Nhanh, ít tốn kém  Không có tính cạnh tranh Yêu cầu của chủng công nghệ 1. Ổn định di truyền 2. Sản xuất hiệu quả sản phẩm mong muốn, và con đường sinh tổng hợp sản phẩm đã được khảo sát kỹ 3. Không cần hay ít cần các bổ sung vitamin và yếu tố tăng trưởng 4. Sử dụng được các cơ chất phổ biến và rẻ tiền 5. Có thể biến đổi di truyền được 6. An toàn, không gây bệnh, và không sản xuất chất độc, trừ khi đó chính là sản phẩm 7. Dễ dàng thu hoạch từ quá trình lên men 8. Dễ dàng phá vỡ tế bào nếu sản phẩm là nội bào 9. Ít tạo ra sản phẩm phụ để thuận tiện cho việc tinh chế sản phẩm Cải tạo chủng  Tái tổ hợp tự nhiên  Gây đột biến  Đột biến ngẫu nhiên  Đột biến nhân tạo - cảm ứng  Sử dụng base tương đồng  Thay đổi về hóa học của các base  Chiếu xạ  Gây đột biến bằng transposon  Lai ghép tế bào trần và biến nạp gen  Thao tác di truyền trên vi sinh vật Chiến lược thao tác di truyền  Sàng lọc gen từ tế bào nguồn  Cô lập gen quan tâm: tạo dòng  Thực hiện các biến đổi cần thiết  Đưa gen trở lại tế bào đích  Kiểm tra và sàng lọc chủng mới Sàng lọc thể đột biến  Kiểu hình quan sát được  Khuyết dưỡng: cấy trên môi trường tối thiểu  Tổng hợp gây chết  Kháng chất chuyển hóa  Khóm vệ tinh  Quang ứng động, hóa ứng động  Khác biệt tỷ trọng: ly tâm phân đoạn Làm giàu thể khuyết dưỡng bằng penicillin Nuôi cấy 5 h trong môi trường hoàn chỉnh Ủ 5 h trong môi trường glucose không chứa nitơ Gây đột biến: UV, HNO2, Rửa và phân tán ở mật độ 107/ml Thêm 100 U/ml penicillin Loại bỏ penicillin Pha loãng đến 50- 100 tế bào/hộp Nuôi cấy 2-20 h Môi trường hoàn chỉnh Môi trường tối thiểu Môi trường hoàn chỉnh Nhân bản Bảo quản giống vi sinh vật  Ngân hàng tế bào  Ngân hàng gốc (master cell bank)  Ngân hàng làm việc (working cell bank)  Cấy chuyền  Làm khô  Đông khô  Đông lạnh Môi trường lên men  Cung cấp chất dinh dưỡng để tế bào phát triển  Chất dinh dưỡng  Yếu tố tăng trưởng  Cung cấp các chất cần thiết để thu sản phẩm  Sinh khối  Chất chuyển hóa sơ cấp  Chất chuyển hóa thứ cấp  Chất cảm ứng Các loại môi trường lên men  Môi trường tổng hợp: đó là môi trường có thành phần hóa học chính xác về mặt định tính và định lượng.  Môi trường phức hoặc bán tổng hợp: người ta chỉ biết thành phần chính xác của một vài hợp chất (về mặt định lượng đối với các chất cần quan tâm như yếu tố tăng trưởng, các thành phần khác dựa theo kinh nghiệm).  Môi trường công nghiệp: nguyên liệu phức ban đầu chủ yếu bắt nguồn từ các sản phẩm nông nghiệp hoặc từ sữa vì chúng rẻ và tương đối dồi dào. Tiêu chí chọn thành phần môi trường  Giá thành và khả năng cung cấp.  Dễ xử lý, vận chuyển, và bảo quản với chi phí thấp.  Không gây khó khăn cho quá trình tiệt trùng và không bị biến chất.  Có các thuộc tính vật lý như độ nhớt, khả năng trộn lẫn, không ảnh hưởng đến công thức chung, việc vận hành nồi cũng như xứ lý sau lên men.  Giúp đạt được nồng độ sản phẩm đích với tốc độ hình thành và năng suất sản phẩm trên gam cơ chất cao.  Nồng độ và loại tạp chất cũng như khả năng tạo sản phẩm phụ thấp không làm ảnh hưởng đến quá trình tách sản phẩm chính sau đó  Có tính an toàn tốt Nguồn carbon  Ycarbon (g/g) = Sinh khối tạo ra (g) / Nguồn carbon sử dụng (g)  Mật mía  Cao chiết mạch nha  Tinh bột và dextrin  Nước thải sulfit  Cellulose  Bã sữa chua  Alkane và alcol  Chất béo và dầu Nguồn nitơ  Nước thải ngâm bắp  Cao nấm men  Peptone  Bã đậu nành Các thành phần khác  Nước  Khoáng chất  Vitamin và yếu tố tăng trưởng  Các tiền chất  Các chất cảm ứng và kích thích  Các chất ức chế  Chất thay đổi tính thấm tế bào  Oxi  Chất chống bọt Biện pháp kiểm soát bọt  Thay đổi công thức môi trường  Phá bọt cơ học  Các chất phá bọt: thường là các chất hoạt động bề mặt:  Nhanh chóng phân tán và tác động nhanh  Tác động mạnh với liều thấp  Có tác động kéo dài  Không độc đối với vi sinh vật lên men, người hay thú  Giá rẻ  Bền nhiệt  Tương thích với các thành phần môi trường và qui trình Hệ thống lên men  Cảm biến pH, nhiệt độ, oxi, bọt, mức  Cung cấp oxi, chất dinh dưỡng, chất kiểm soát pH,  Cánh khuấy  Cổng thu hoạch Khí thải vô trùng Lọc tiệt trùng Nước/hơi nước ra Trục khuấy Đĩa khuấy Vỏ ngoài Rọ cản Bộ phun khí Khí vào Cổng thu hoạch Nước/hơi nước vào Khí vô trùng Cổng phụ Các thiết bị nuôi cấy khác Các phương thức lên men  Kiểu vận hành  Lên men gián đoạn  Lên men bổ sung dinh dưỡng gián đoạn  Lên men liên tục  Độ kín của hệ thống  Lên men hở  Lên men vô trùng  Sự thông khí  Lên men hiếu khí  Lên men kỵ khí  Kiểu thiết bị sử dụng  Lên men nổi  Lên men chìm Lên men bề mặt 7 66 1 2 3 4 5 1-Giaù ñöïng khay ; 2-Khay ; 3-Cöûa cho khoâng khí saïch vaøo buoàng ; 4-Cöûa cho khoâng khí ra ; 5-Quaït ; 6-Choã phun nöôùc ; 7-Boä phaän xaû hôi noùng ñeå ñieàu chænh nhieät ñoä cuûa buoàng. Lên men chìm Nguyeân lieäu Chuaån bò moâi tröôøng nhaân gioáng Nhaân gioáng caáp I Nhaân gioáng caáp II, III Khoâng khí ra Khoâng khí ra LEÂN MEN Chuaån bò moâi tröôøng leân men Khoâng khí neùn, loïc Taùch vaø laøm saïch saûn phaåm Giám sát quá trình lên men  Các cảm biến in situ  Các bộ phân tích trực tuyến  flow injection analysis  sequential injection analysis  khối phổ (mass spectrometry - MS)  lỏng hiệu năng cao (HPLC)  sắc ký khí (GC)