Bài giảng Kỹ thuật thu hồi và hoàn thiện sản phẩm: Chương 1 - Mở đầu

Bài giảng Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm: Bài 1 - Mở đầu được biên soạn nhằm giúp các em sinh viên nắm được khái niêm DSP, mục đích quá trình, các khó khăn thách thức, chiến lược, các bước qui trình THHTSP; Trình bày được các kỹ thuật thu nhận SPSH: lắng, lọc, li tâm, trích li, lọc màng, sắc kí, kết tinh, sấy bao gồm nguyên tắc và ứng dụng; Biết cách tính tóan một số thông số của qui trình. Mời quý thầy cô và các em cùng tham khảo!

Kỹ thuật thu hồi và hòan thiện

sản phẩm Downstream process (DSP)

Lê Thanh Hà

Bộ môn CNSH

Bài 1 MỞ ĐẦU

Đề cương môn học

• G:\20092021\16022020\Bomon\Decuong\CTDT2017\Đê cương chỉnh sửa\final\BF4709_Ky thuat thu hoi hoan

thien san pham-final-REV1.docx

Mục đích của môn học

• Hiểu khái niêm DSP, mục đích quá trình, các khó khăn

thách thức, chiến lược, các bước qui trình THHTSP

• Nắm được các kỹ thuật thu nhận SPSH: lắng, lọc, li tâm, trích li, lọc màng, sắc kí, kết tinh, sấy bao gồm nguyên tắc

và ứng dụng

• Biết cách tính tóan một số thông số của qui trình

Qui trình công nghệ sinh học

Nguyên liệu thô

Xúc tác

Lắng Lọc Kết tinh Kết tủa Trích li Hấp phụ Sắc kí

DSP

USP Fermentation

Giống Chuẩn bị giống Lên men Thu hồi enzym

Qui trình SX enzym từ nấm mốc

ATPE - Aqueous two-phase extraction

UF- Ultrafilstration

DF- Diafiltration

IEX – Ion exchange chromatography

HIC - Hydrophobic interaction chromatography

Sản xuất bằng lên men

Sản phẩm

Thải

Kiểm soát quá trình

Upstream process- Quá trình trước lên

– Nguồn dinh dưỡng ko thể thiếu

– Môi trường xác định hay không xác định

– Tối ưu môi trường lên men

Fermentation- Quá trình lên men

• Kỹ thuật lên men

– Thiết bị lên men

– Phương pháp lên men: Fed, Fed-batch, continuous

– Kiểm soát điều kiện lên men: pH, nhiệt độ, lượng oxi hòa tan

→tối ưu hóa quá trình nuôi cấy: thu lượng sản phẩm trên đơn vị thể tích là lớn nhất

Downstream process (DSP)

Tách sản phẩm sinh học từ hỗn hợp

•TB VSV

•Các thành phần của TB phân hủy

•Các thành phần của MT (hòa tan hay ko)

•Các SP trao đổi chất (bao gồm cả thành phẩm)

Quá trình thu hồi và Hoàn thiện SP là gì?

• Là bước rất quan trọng bao gồm thu hồi sản phẩm và tinh

Ba đặc điểm của sản phẩm sinh học

• Có thể có nồng độ thấp: mg/L

• Chịu nhiệt kém: sấy nhiệt độ thấp, li tâm lạnh

• Dễ bị phân hủy: dùng chất ức chế protease EDTA

→Chi phí cho DSP cao

2 Isolation of Product (Tách sản

phẩm)-giảm thể tích

Phá vỡ TB, Trích li, hấp phụ, siêu lọc, kết tủa

đoạn, hấp phụ, trích li

Hoàn thiện sản phẩm

• Dạng nước, bột hay cố định

• Dạng nước

– Cô đặc hay pha loãng

– Tác nhân bảo quản và ổn định

– Thanh trùng bằng lọc

• Dạng bột

– Sấy đông khô

– Sấy phun hay có lớp bảo vệ

( Áp suất cao, nghiền, hóa học)

(li tâm/lắng, lọc, trích li)

(kết tinh, đông khô, sấy phun, lọc vô trùng)

II Mục đích, chiến lược, khó khăn

2 Yếu tố ảnh hưởng

2.1 Yếu tố VSV

2.2 Yếu tố lên men

2.3 Yếu tố sản phẩm

2 Yếu tố ảnh hưởng

2.1 Tác nhân vi sinh vật

– Màu sắc: tạo sắc tố, loại màu

– Khả năng kết lắng: tách sinh khối

– Kích thước TB: tách sinh khối

– Độ nhớt: tách sinh khối

– Thành TB: phá vỡ tế bào

2.2 Quá trình lên men

– Sản phẩm phụ tạo thành: nhiều hay ít, dễ tách hay khó– Thành phần MT: MT không sạch thì rẻ nhưng chi phí

cho DSP cao– Chất chống tạo bọt: khó tách

2.3 Đặc điểm của SP tạo thành

– Vị trí SP: trong NSC cytoplasm, periplasm hay ngoại

bào, bào quan hay thể vùi IB

Research.html

https://web.mit.edu/king-lab/www/research/Scott/Scott-

http://www.madsci.org/posts/archives/2007-11/1193962676.Mi.r.html

• Ngoại bào: tách sinh khối

• Nội bào hay periplasm: lấy sinh khối và phá vỡ TB

• Thể vùi: thu inclusion bodies IB

• Hóa học

– pH – Dung môi – Tác nhân Chaotropic – phá vỡ liên kết kỵ nước – Chất sát trùng (detergent)

• Sinh học

– Proteolysis

Mục đích không làm bất hoạt SP

– Nồng độ SP trong dịch sau lên men: cô đặc SP?– Nơi áp dụng SP:

• Yêu cầu độ tinh sạch tối thiểu

1 Enzym dùng cho chăn nuôi: không tinh sạch

2 Enzym dùng cho nhu cầu công nghiệp: tinh sạch 1 phần

3 Enzym cho phân tích (glucose oxidase) và protein cho dược

phẩm rất tinh sạch

• Các sản phẩm độc đi kèm

– Giá thành của SP trên thị trường

3 Chiến lược

❖Đơn giản hóa DSP: Phải quan tâm đến tất cả các

bước trong qui trình lên men

– Chọn VSV khác (ko tạo sắc tố, nang), ít tạo sản phẩm phụ, tạo SP nồng độ cao, tạo SP phụ dễ tách, bền với các yếu

tố nhiệt độ, pH

– Lên men tối ưu tạo ít SP phụ, tạo SP nồng độ cao

– Chọn thời điểm kết thúc tránh nhiều thành phần MT dư

– Lựa chọn MT lên men chứa ít tạp

3 Chiến lược

❖Áp dụng kĩ thuật di truyền để làm dễ quá trình thu hồi

– Siêu tổng hợp protein

– Tiết ra ngoài môi trường hay tiết vào periplasm

– Biến đổi protein gắn thêm đuôi tag giúp cho quá trình tinh sạch được dễ dàng

• Độ tinh sạch và hoạt tính yêu cầu

– Hoàn thiện ↑ giá thành

• Hiệu suất thu hồi

− Càng cao càng tốt ➔  giá thành

III Một số ví dụ về QTTHHTSP

• Sinh khối tế bào: SCP,nấm men, probiotics

• Dung môi: ethanol, butanol, axeton

• Các axit hữu cơ: axit xitric, lactic, axetic

• Các axit amin: mì chính, lysin, methionine, tryptophan

• Kháng sinh: penicillin, streptomycin

• Các polisaccarit: xanthan gum, pullulan

Source: Datar R and Rosen CG Downstream Process Economics in Separation Processes in Biotechnology, Asenjo J ed.,

Marcel-Dekker, Inc., 1990

Quá trình thu hồi protein tái tổ hợp nội bào (Insulin)

production-process/

https://www.onlinebiologynotes.com/brewing-beer-Quá trình thu hồi bia

Quá trình thu hồi enzyme ngoại bào

MỘT SỐ CHÚ Ý

3 Dịch sau lên men bao gồm: tế bào, các sản phẩm ngoại

bào và nội bào, cơ chất thừa

4 Quá trình thu hồi và trích li sản phẩm phụ thuộc vào loại

sản phẩm, độ hòa tan, qui mô quá trình, giá trị sản phẩm

5 Tinh sạch các sản phẩm thuốc có giá trị như hormon,

enzym, kháng thể là sản phẩm đắt và khó nâng cấp

6 Các bước thu hồi cho 1 sản phẩm nhất định phụ thuộc

vào bản chất của sản phẩm và đặc tính của dịch sau lên men

2 Một số qui tắc chung

1 Sự có mặt của sinh khối gây ảnh hưởng quá trình sẽ

phải loại đi

2 Sản phẩm nội bào phải phá vỡ TB

3 Các sản phẩm nội bào có thể dễ dàng kết tủa, lắng hay

lọc→tuy nhiên nếu quá loãng sẽ không hiệu quả cho quá trình thu hồi

4 Cô đặc sản phẩm từ dịch lên men có thể làm giảm chi

phí cho quá trình thu hồi

3 Lựa chọn qui trình DSP

Mức độ tinh sạch của SP

Chi phí sản xuất/hiệu suất thu hồi

Khả năng tăng qui mô

Tính lặp lại và dễ áp dụng

Độ chắc chắn, mạnh mẽ (Robustness with respect to process stream variables)- các thông số thay đổi nhg vẫn dùng được