chuong 1 gioi thiêu mon hoc

Chương mở đầu uChương mở đầu u GIỚI THIỆU MÔN CÔNG NGHỆ LÊN MEN FERMENTED TECHNOLOGY I/ Định nghĩa môn học Công nghệ lên men là môn khoa học nghiên cứu ứng dụng các hoạt động của VSV v

1.Chương mở đầu:Giới thiệu mơn cơng nghệ lên men 2.Nguyên lý cơ bản về quá trình lên men.

3.Kỷ thuật căn bản trong cơng nghệ lên men.

4.Cơng nghệ lên men sản xuất sinh khối VSV.

CN sản xuất SCP, men bánh mì, thuốc bảo vệ thực vật, phân bĩn VS.

5.Cơng nghệ lên men sản xuất a amin, a hữu cơ, nucleotid.

6 Cơng nghệ lên men sản xuất enzim,kháng sinh 7.Cơng nghệ lên men các thực phẩm truyền thống như: fromage,sữa chua,sauerkraust,nem chua, tempeh,miso, tương, chao…

8 Công nghệ sản xuất các sản phẩm sinh học bằng VSV tái

Chương trình mơn Cơng Nghệ Lên Men

Chương mở đầu u

Chương mở đầu u

GIỚI THIỆU MÔN CÔNG NGHỆ LÊN MEN

(FERMENTED TECHNOLOGY)

I/ Định nghĩa môn học

Công nghệ lên men là môn khoa học nghiên cứu ứng dụng các hoạt động của VSV vào các qui trình sản xuất các sản phẩm thực phẩm hay các sản phẩm sinh học ở qui mô công nghiệp với hiệu suất cao nhất

CNLM bao gồm cả 2 quá trình sản xuất :

1 CNLM cổ điển : ( lên men truyền thống ) Xuất hiện rất lâu đời từ thời tiền sử Áp dụng một cách vô thức các hoạt động lên men kị khí hay hiếu khí ( thường là

ủ kị khí ) của hệ VSV có sẳn trong tự nhiên để sản xuất là các thực phâm lên

men truyền thống như: yaourts, kefir, dưa chua, rượu , bia, nước chấm lên men ….

2 CNLM hiện đại ( lên men kỷ nghệ): Xuất hiện vào thập niên 60 Aùp dụng các hoạt động sinh tổng hơp của chủng VSV thuần khiết (Starters-có thể đã được cải tạo gen để nâng cao năng suất) nhầm tạo các sản phẩm sinh học có giá trị cao như: sinh khối VSV (biomass), acid amin, nucleotic, enzime, kháng sinh……Ở qui mô công nghiệp, người ta thường nuôi cấy VSV trong các điều kiện tối ưu của các thiết bị lên men (fermentor) có thể tích đến hàng trăm ngàn m 3

• Vi sinh vật (microorganisms) là những sinh vật nhỏ bé đến mức chỉ có thể thấy được chúng dưới kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử Vi sinh vật gây ra rất nhiều bệnh hiểm nghèo cho người, cho gia súc, gia cầm Tuy nhiên số vi sinh vật gây bệnh chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong thế giới vi sinh vật Từ xa xưa người ta đã biết ứng dụng các vi sinh vật có ích (tuy chưa hề biết tới sự tồn tại của chúng) để chế biến thực phẩm ( như nấu

rượu, làm tương, mắm, nước mắm, giấm, sữa chua,

chao, muối dưa, muối cà, ), ủ phân, ngâm vỏ cây lấy sợi, xếp ải đất, trồng luân canh với cây họ Đậu ; hoặc

sử dụng các biện pháp để ngăn chặn tác hại của vi sinh vật (như ướp muối thịt, cá, làm mứt, phơi khô củ cải,

tôm, cá )

Louis Pasteur phát hiện ra bản chất của các vi sinh vật-

từ đó khai sinh ra ngành Vi sinh vật học (Microbiology)- thì nhân loại bắt đầu quan tâm rất nhiều đến lĩnh vực

khoa học mới mẻ này

Vi sinh vật học trở thành nền tảng cho sự phát triển của Công nghệ sinh học(CNSH) Người ta chia sự phát triển của CNSH ra thành 3 giai đoạn:

biến , bảo quản các loại thực phẩm, xử lý đất đai, phân bón để phục vụ nông nghiệp

công nghiệp để sản xuất ở quy mô lớn các sản phẩm

sinh học như mỳ chính (bột ngọt), lizin và các axít amin khác, các acid hữu cơ, các dung môi hữu cơ, chất kháng sinh, một số vitamin (như vitamin B2, B12, C ), nhiều loại enzym

(genetic engineering), công nghệ tế bào (cell

engineering), công nghệ enzym và protein

(enzyme/protein engineering), CN vi sinh vật/ CN lên

men (microbial engineering / fermentation), CN môi

trường (environmental engineering) CNSH hiện đại

thường gắn liền với các cơ thể mang gen tái tổ hợp

( recombination gene)

• II/ Tính chất của VSV dùng trong công Nghệ lên men:

Với các điều kiện tối ưu hoá của thiết bị lên men , mỗi tế bào vi sinh vật là những nhà máy hoá học hoàn chỉnh có khả năng chuyển hoá từ

những nguyên vật liệu rẻ tiền thành những sản phẩm sinh học có giá trị cao trong thời gian rất ngắn

Sản xuất sản phẩm sinh học bằng con đường lên men của VSV có nhiều ưu điểm hơn so với con đường chăn nuôi và trồng trọt, vì:

• 1.VSV có kích thước rất nhỏ, cơ thể đơn bào, nên tổng bề mặt tiếp xúc của sinh khối VSV với môi trường ngoài rất lớn, do đó VSV có khả năng trao đổi chất, sinh tổng hợp , khả năng sinh sản gấp hàng ngàn lần so với các sinh vật thượng đẳng

• 2.VSV có tính thích nghi cao với môi trường nuôi cấy, nên dễ dàng chuyển từ cuộc sống hoang dại sang cuộc sống trong các nồi lên men

(fermentor).Các yếu tố môi trường sống được kiểm soát dễ dàng bằng máy móc thiết bị, do đó việc sản xuất sản phẩm sinh học của VSV có thể được công nghiệp hoá và tự động hoá .

• 3 Các nguyên liệu để VSV sử dụng cho hoạt động sinh tổng hợp là những phụ phẩm của các ngành nông công nghiệp thải ra nên rất rẻ tiền, sản lượng phong phú Việc tận dụng các phụ phẩm này ngoài ý nghĩa kinh tế, còn có ý nghiã trong việc bảo vệ môi trường , chống gây ô nhiễm

Một số nhược điểm của VSV :

• 1.VSV có khả năng biến dị cao, nên dễ dàng bị thoái hoá các đặc tính sinh lý của chúng trong quá trình nhân giống cấy chuyền nhiều lầ, vì vậy phải có biện pháp cải

thiện chất lượng giống và bảo quản giống thật hiệu quả

• 2.Khả năng đấu tranh sinh tồn, khả năng canh tranh chống sự tạp nhiễm của chủng VSV dùng trong sản xuất thường không cao , cho nên trong sản xuất ở qui mô công nghiệp phải bảo đảm điều kiện vô trùng

• 3.Sự thay đổi điều kiện môi trường

• dầu nhỏ cũng ảnh hưỡng lớn đến năng suất ( nhiệt dộ , pH, độ thông khí, hàm lượng chất dinh dưỡng ….), cho nên quá trình lên men thường phải được kiểm soát chặt chẻ , các thông số kỷ thật phải bảo đảm ổn định trong suốt quá

trình lên men Việc điều khiển tự động hoá hoạt động fermentor là rất cân thiết trong sản xuất ở qui mô công nghiệp.

II.Các giai đoạn quan trọng trong Công nghệ lên

men

Công nghệ lên men là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều công đọan :

– Tuyển chọn chủng VSV.

– Sản xuất thử nghiệm

– Sản xuất ở qui mô công Nghiệp.

– Thu hoạch và tinh chế sản phẩm.

Mỗi công đoạn đều đòi hỏi phải có kiến thức cơ bản của nhiều lảnh vực khoa học

khác.

II.Các giai đoạn quan trọng trong Công nghệ lên men

1 Quá trình tạo giống

3 Quá trình sản xuất

cơng nghiệp

4 Quá trình thu hoạch

và tinh chế sản phẩm

2 Quá trình sản xuất thử nghiệm

Bao gồm phân lập, tuyển chọn, tạo khả năng thích nghi, nâng cao năng suất bằng ky thuật di truyền , bảo quản giống

Nghiên cứu các yếu tố tơi ưu cho giống phát triển tốt nhất trong phịng thí

nghiệm

Tơi ưu hố các yếu tố mơi trường trong sản xuất cơng nghiệp

Tập hợp các phương pháp hố lý sinh học để hu nhận sản phẩm cuối

III.Mối quan hệ của Công nghệ lên men với các lảnh vực khoa học khác

Sinh học tế bào, Sinh lý vi sinh, Di truyền phân tử, Công nghệ gen

Vi sinh, Sinh hoá Sinh hoá, Hóa phân tích

về Cơ khí công nghệ để thiết kế, và kiến thức về bioprocess technology để vận hành các thiết bị lên men, thiết bị khử trùng.Các kiến thức về Tin học và toán học rất cần thiết

cho nhà nghiên cứu trong việc tính toán, thiết lập các thông số kỷ thuật để tạo điều kiện tối ưu cho quá trình lên men công nghiệp (Tối ưu hóa)

kiến thức về sinh hoá và hoá phân tích

như: HACCP, SSOP, GMP phải được áp dụng nghiệm ngặc trong quá trình sản xuất

Các lảnh vực khoa học có liên quan đến CN lên men

Công Nghệ Lên Men

Sinh lý Vi sinh

Công nghệ

gen Sinh hóa

HACCP,

GMP, SSOP

Toán học Tin học

Bioprocess Technology

(Công nghệ các quá trình sinh

Sinh học tế

bào

Hoá phân tích

Công nghệ

cơ khí

VI Vai trò của môn CN lên men với các lảnh vực sản xuất

Công nghệ lên men sản xuất các sản phẩm có giá trị ở qui mô công nghiệp, các sản phẩm này phục vụ cho các ngành sản xuất như

• Nông nghiệp: thuốc trừ sâu sinh học , phân vi sinh, phân vi sinh

phân giải lân…

• Chăn nuôi: Sản xuất vaccin, các chế phẩm bổ sung vào thức ăn

gia súc để kích thích tăng trọng như: vitamin, acid amin, enzim, hormon

• Thuỷ sản- Môi trường : chế phẩm VSV làm sạch môi trường

nước, chế phẩm VS phân hủy chất hữu cơ

• Y học : sản xuất các sinh phẩm dùng trong chẩn đoán bệnh ,

phòng bệnh ( kháng thể đơn dòng , vaccin, enzim, vitamin )

• Công nghệ thực phẩm : các thực phẩm lên men , sản xuất các

chất phụ gia ( a hữu cơ), chất điều vị ( a amin)

• Kỷ nghêï hoá học : sản xuất các dung môi hữu cơ, nhiên liệu

• V Sơ lược lịch sử phát triển môn học :

Gồm 4 giai đoạn tương ứng với 4 kỷ nguyên :

1 Kỷ nguyên trước Công nguyên : (trước khi môn VSV ra đời,

tính từ thời thượng cổ), con người đã biết lên men để bảo quản thực phảm Giai đọan lên men không kiểm soát vì chưa có nhận thức về sự hiện diện của VSV và hoạt động sinh ly của chúng.Lên men với mục đích kéo dài thời gian bảo quản , chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, tin tưỡng vào thần linh.

2 Kỷ nguyên sau Pasteur ( tính đến nửa sau của thế kỷ 19): đã

hiểu biết về bản chất của quá trình lên men, con người đã kiểm soát được quá trình lên men nhờ sự dụng dòng VSV thuần khiết (startrs) Tuy nhiên thiết bị lên men còn thô sơ, chủ yếu là lên men bán vô trùng : sản phẩm của quá trình lên men bán vô trùng này thường là dung môi hữu cơ, rượu, bia….Các chủng VSV tạo ra sản phẩm trên thường có sức đề kháng cao với sự tạp nhiễ

1 Kỷ nguyên thứ III- Sau thế chiến thứ I ( giữa thế kỷ 20) Từ

khi khám phá ra Penicillin Nhu cầu sản xuất chất kháng sinh càng cao phục vụ trong quân y đòi hỏi điều kiện vô trùng tuyệt đối, năng suất cao Đã thiết kế các thiết bị lên men có hệ thống sựt khí vô trùng Giai đoạn này được đánh dấu bằng quá trình tối ưu hoá điều kiện và thiết bị lên men

2 Kỷ nguyên thứ VI- Giai đoạn hiện đại :Con người đã biết áp

dụng các thành tựu của công nghệ di truyền: kỷ thuật lấp ghép gen , lai AND, kỷ thuật gây đột biên để tạo các chủng VSV biến đổi gen ( starters) có khả năng sinh tổng hợp các sản phẩm sinh học có giá trị rất cao dùng trong điêu trị, chẩn đoán bệnh,như: insulin, loại hormon, interferon, kháng thể đơn dòng ….

Tóm tắt lich sủ phát triển môn học

14 th century Vinegar manufacturing industry near Orleans

ethanol, gluconic acid (non sterile fermentations)

large quantities of air => sterile methods, aeration, agitation, oxigen transfer)

(low product cc => large reactors, strain improvement, analytical methods, separation technology

interferon) antibodies from hybridoma cells