Đang tải... (xem toàn văn)
Sản phẩm của các quá trình sản xuất sử dụng công nghệ sinh học thường tồn tại ở nồng độ loãng trong 1 hỗn hợp phức tạp. Thu hồi sản phẩm (downstream processing) từ hỗn hợp trên là quá trình nâng cao nồng độ và tinh chế 1 chất mong muốn. Thu hồi 1 sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào bản chất của sản phẩm, quy mô thị trường, giá trị bán trên thị trường của sản phẩm và các tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm. Các kỹ thuật thu hồi sản phẩm cũng sẽ được lựa chọn theo mục đích sử dụng của từng giai đoạn. Các đặc điểm của quá trình phát triển, cũng như quay vòng sản phẩm sẽ xác định trình tự qui trình thu hồi sản phẩm. Sự phát triển mỗi bước thu hồi cũng bắt đầu từ những thử nghiệm qui mô phòng thí nghiệm đến đích cuối cùng là sản xuất công nghiệp
CHUYÊN ĐỀ CÁC LOẠI SẢN PHẨM VÀ VAI TRÒ CỦA CÔNG NGHỆ THU HỒI ( DOWNSTREAM PROCESSING TECHNOLOGY) TRONG CÁC Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC Ths Mạc Văn Trọng Jan 7, 2022 NỘI DUNG BÁO CÁO Mở đầu Lịch sử hình thành phát triển công ngh ệ sinh h ọc Sản phẩm q trình cơng ngh ệ sinh h ọc Vai trị cơng nghệ thu hồi sản phẩm q trình cơng ngh ệ sinh học Kết luận Jan 7, 2022 MỞ ĐẦU Công nghệ sinh học ứng dụng cu ộc sống ng ười từ xa xưa ( lên men rượu) Giống trồng phát triển thông qua lai tạo (Thomas Fairchild ,năm 1719) , định luật di truyền ( Mendel ,năm 1866), cho đ ến cu ộc “Cách mạng xanh”, (Norman Borlaug) từ năm 1960 – 1990 s ản l ượng nơng nghiệp tồn giới tăng gấp đôi, cứu sống khoảng tỉ ng ười nước phát triển khỏi nguy chết đói Kể từ cu ộc “Cách m ạng xanh”, vai trị Cơng nghệ sinh học toàn thể giới ý đ ến Đến hầu hết nước Công nghệ sinh học đ ều đ ược coi m ột h ướng khoa học công nghệ ưu tiên đầu tư phát triển Tuy nhiên s ản phẩm c trình sản xuất sử dụng cơng nghệ sinh học thường tồn n ồng đ ộ loãng, hàm lượng không cao, hỗn hợp phức tạp Việc sử dụng nghiên cứu, phát triển, ứng dụng công nghệ thu hồi s ản phẩm ( Downstream processing technology) với kỹ thu ật thu h ồi hi ện đ ại, hi ệu suất cao quan trọng Jan 7, 2022 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CƠNG NGHỆ SINH HỌC Cơng nghệ sinh học ngành khoa h ọc ứng dụng, s ự ph ối h ợp c khoa h ọc công nghệ để khai thác kiến thức hệ thống s ống cho ứng d ụng , cho mục đích cơng nghiệp Là ngành mũi nhọn có tốc độ phát triển nhanh chóng Từ s ản ph ẩm công nghệ lên men truyền thống đến sản phẩm công nghệ sinh học hi ện đ ại như: sinh vật biến đổi gen, động vật nhân bản, nuôi cấy tế bào g ốc, công ngh ệ sinh học nano… tạo cách mạng sinh h ọc nông nghi ệp, công nghiệp thực phẩm, y-dược, bảo vệ môi trường, vật liệu… Định nghĩa UNESCO (1985) : Công nghệ sinh học công nghệ sử dụng m ột phận hay t ế bào riêng rẽ thể sinh vật vào việc khai thác sản phẩm chúng - Trường Luật Stanford (1995): Công nghệ sinh học công ngh ệ chuy ển m ột hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản ph ẩm ch ức c gen Sự khác biệt rõ rệt hai định nghĩa thuộc đ ối tượng tác động công nghệ sinh học: thể vsv-gen - Jan 7, 2022 Phát triển công nghệ sinh học qua ba cách mạng: Lần 1(đầu kỷ 20): sử dụng trình lên men đ ể s ản xu ất s ản ph ẩm nh acetone, glycerine, citric acid, riboflavin Lần 2(sau chiến thứ 2): s ản xu ất kháng sinh, lên men công nghi ệp (acid glutamic, polysaccharide) - tạo chủng su ất cao Lần 3(từ 1970): công nghệ DNA tái tổ hợp ( enzyme gi ới hạn, di truy ền ng ược…) Cơng nghệ sinh học hình thành phát triển qua giai đoạn Giai đoạn 1: Sử dụng phương pháp lên men vi sinh v ật đ ể ch ế bi ến b ảo quản thực phẩm Giai đoạn 2: Hình thành công nghi ệp s ản xu ất thu ốc kháng sinh penicillin, kh ởi đầu gắn liền với tên tuổi Fleming, Florey Chain (1940) Giai đoạn 3: Xác định cấu trúc protein (insulin), mô hình c ấu trúc phân tử DNA (1953) - cơng nghệ sinh học đại Giai đoạn 4: Công nghệ DNA tái tổ hơp Jan 7, 2022 Phân biệt nhóm cơng nghệ Cơng nghệ sinh học truyền thống + Thực phẩm lên men truyền thống + Công nghệ lên men vi sinh vật + Sản xuất phân bón, thuốc trừ sâu vi sinh vật + Sản xuất sinh khối giàu protein + Nhân giống vô tính ni cấy mơ tế bào thực vật + Thụ tinh nhân tạo Công nghệ sinh học đại + Nghiên cứu genome + Nghiên cứu proteome + Thực vật động vật chuyển gen + Động vật nhân + Chip DNA (DNA chip) + Liệu pháp tế bào gen + Protein biệt dược + Tin sinh học + Công nghệ sinh học nano + Hoạt chất sinh học Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học: + Nông nghiệp + Y dược + Công nghiệp chế biến thực phẩm + Môi trường Jan 7, 2022 Bang Một sô hương phát triển công nghệ sinh học đại Lĩnh vực Nông nghiệp Y tế Công nghiệp thực phẩm Ưng dụng Tạo chủng vi sinh vật mới, xây dựng phương pháp chọn giống trồng vật nuôi Dùng enzyme tạo cảm biến sinh học thi ết b ị phân tích y tế Sử dụng tế bào vi sinh vật, tế bào động-th ực v ật sản xuất thuốc (ví dụ: steroid) tổng hợp loại kháng sinh Sử dụng enzyme chữa trị bệnh Xây dựng hoàn thiện phương pháp chế biến bảo qu ản thực phẩm mới, sản xuất chất bổ sung vào thực phẩm (vitamin, amino acid ), sử dụng protein đơn bào enzym e công nghệ chế biến thực phẩm Giám sát mơi trường Hồn thiện phương pháp dự đốn giám sát tình trạng mơi trường Hồn thiện phương pháp xử lý chất thải (đăc biệt chất thải cơng nghiệp) Sản xuất hóa Sản xuất acid hữu (citric acid, itaconic acid, acetic acid ), chất sản xuất enzyme làm chất tẩy rửa Năng lượng Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng dự án l ớn s ản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu Jan 7, 2022 SẢN PHẨM TRONG CÁC QUÁ TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC SẢN PHẨM CƠNG NGHỆ SINH HỌC: Theo lĩnh vực Công nghệ sinh học truyền thống tạo sản phẩm có đăc tính riêng biệt thực phẩm lên men từ đậu, rượu gạo, bia, xì dầu Các sinh v ật sống (như nấm men, vi khuẩn) hoăc phân tử sinh học khai thác đ ể sản xuất đồ uống có cồn, bánh mì, kháng sinh, vaccine, vitamin, enzyme công nghiệp, phụ gia thực phẩm Công nghệ sinh học đại cho phép phát hiện, chẩn đoán nhiều loại bệnh mức phân tử; sản xuất nhiều loại thuốc vaccine an toàn h ơn; sản xuất nơng nghiệp với sản lượng tăng, chi phí giảm, chất lượng môi trường sức khỏe người cải thiện; sản xuất thực phẩm với chất lượng dinh dưỡng cao, không bị hư hỏng, không gây dị ứng Y dược: Liệu pháp protein, liệu pháp gen, kit chẩn đoán b ệnh b ằng phương pháp PCR DNA vaccine , sản xuất thuốc chữa bệnh nh interferon, insulin, interleukin, hormone sinh trưởng người Môi trường: Sử dụng vi sinh vật cho trình xử lý Các hệ thống lọc, b ể l ọc, trình lắng khử trùng Jan 7, 2022 Nông nghiệp: tạo giống trồng công nghệ sinh học/ trồng biến đ ổi gen (Genetically Modified Crops - GMCs) mang nh ững đ ặc tính mong mu ốn thơng qua kỹ thuật chuyển gen 27 quốc gia giới canh tác đại trà trồng công nghệ sinh học (19 quốc gia phát triển quốc gia phát triển) (2013) 1.Hoa Kỳ (70,1 triệu hecta), 2.Brazil (40,3 triệu hecta), Argentina (24,4 triệu hecta); Ấn Độ (11 triệu hecta) 5.Canada (10,8 triệu hecta) Trong 18 năm (1996 - 2013), diện tích trồng cơng nghệ sinh học tăng liên tục tới 100 lần (từ 1,7 lên 175,2 triệu hecta) Jan 7, 2022 SẢN PHẨM CƠNG NGHỆ SINH HỌC: Theo cơng nghệ - Cơng nghệ gen công nghệ DNA tái tổ hợp: sản phẩm chuẩn đốn, điều trị - Cơng nghệ tế bào: Sản phẩm chọn, tạo giống nông – lâm nghiệp, th ủy s ản phát triển liệu pháp tế bào y tế - Công nghệ enzyme – protein: sản phẩm công nghiệp thực phẩm, dược phẩm (sản xuất vaccine hệ kit chẩn đoán) - Công nghệ lên men, nuôi cấy mô tế bào: Nghiên cứu, đánh giá ứng dụng tài nguyên vi sinh vật; tạo chủng giống; lên men vi sinh vật, nuôi cấy t ế bào đ ộng v ật, th ực v ật - Công nghệ sinh học nano: Rất nhiều sản phẩm ngành khoa học mẻ hạt nano, cảm biến sinh học, microarray dùng lĩnh v ực y d ược, sinh h ọc, ngành công nghiệp thực phẩm nông nghiệp - Kháng thể đơn dòng: Sử dụng tế bào hệ thống miễn dịch để sản xu ất kháng thể - protein giúp thể chống lại xâm nhập tế bào ngoại lai nh virus, vi khuẩn… Jan 7, 2022 10 SẢN PHẨM CÔNG NGHỆ LÊN MEN, NI CẤY MƠ TẾ BÀO Vai trị kỹ thuật thu hồi nói riêng cơng ngh ệ thu h ồi nói chung đ ược thể rõ nghiên cứu sản xuất thu nhận sản phẩm từ công nghệ lên men vi sinh vật hoăc nuôi cấy mô tế bào động, thực v ật Với việc áp dụng kỹ thuật di truyền in vitro ( DNA tái tổ hợp) mở rộng phạm vi sản phẩm sản xuất vi sinh vật, cung cấp phương pháp để tăng sản lượng sản phẩm Khai thác thương mại đa dạng hóa sinh vi sinh vật thúc đ ẩy phát tri ển công nghi ệp lên men, kỹ thuật di truyền thiết lập công nghi ệp ưu th ế tạo hội phát triển trình cải thiện q trình có Jan 7, 2022 11 Bản chất công nghệ lên men Thuật ngữ lên men (fermentation) công ngh ệ vi sinh có ngu ồn g ốc t đ ộng t Latin fervere nghĩa đun sôi, mô tả hoạt động nấm men d ịch chi ết c trái hoăc hạt ngũ cốc tạo mạch nha (malt) s ản xu ất đ u ống có ethanol Vi sinh vật học: Là trình s ản xu ất m ột s ản ph ẩm b ằng nuôi c sinh kh ối vi sinh vật Hóa sinh học: Là trình sản sinh l ượng h ợp ch ất h ữu c hoạt động với vai trò vừa chất cho lẫn chất nhận điện tử, ( q trình y ếm khí, lượng sản xuất không cần tham gia oxygen hoăc ch ất nh ận điện tử vô khác.) Lên men vi sinh vật nuôi cấy mô tế bào ( đ ộng v ật, th ực v ật ) th ực ch ất trình nuôi cấy thiết bị đ ặc trưng làm tăng sinh kh ôi( lên men fermentor, nuôi cấy tế bào hệ thông bioreactor) nhằm đ ạt đ ược mục đích thu nhận san phẩm sinh học mong mn Jan 7, 2022 12 Q trình lên men Jan 7, 2022 13 Phân loại lên men: Theo kiểu vận hành (lên men theo mẻ, lên men theo mẻ có bổ sung dinh d ưỡng, lên men liên tục) Theo độ kín hệ thống (lên men hở, lên men vơ trùng) Theo thơng khí (lên men hiếu khí, lên men kỵ khí) Theo kiểu thiết bị sử dụng (lên men nổi, lên men chìm) Các san phẩm thu nhận trình: Sinh khối vi sinh vật hoăc tế bào động thực vật Các chất trao đổi trình ( chất trao đổi sơ cấp, thứ cấp…) Các loại enzyme Các sản phẩm tái tổ hợp Jan 7, 2022 14 Bảng Một số sản phẩm tái tổ hợp A Các sản phẩm thương mại Tên thương mại Elitex Glucagen Leukine Refuldan Regranex rh Revasc Protein Angiostatin Elastase inhibitor Protein tái tổ hợp Urate oxidase Glucagon GM-CSF Hirudin/lepirudin Yếu tố sinh trưởng có nguồn gốc tiểu huyết cầu Hirudin/desirudin Công ty Hệ thống biểu Sanofi-Synthelabo S cerevisiae Novo Nordisk S cerevisiae Berlex S cerevisiae Hoechst S cerevisiae Ortho-McNeil Phama (US), S cerevisiae Janssen-Cilag(EU) Aventis S cerevisiae B Các sản phẩm chưa hoàn chỉnh Chỉ định Cơng ty Hệ thống biểu Yếu tố chống hình thành EntreMed u mạch Bệnh xơ nang Dyax Yếu tố chống hình thành EntreMed u mạch Bệnh tiểu đường Transition Therapeutis P pastoris U mạch di truyền P pastoris P pastoris P pastoris Endostatin Epidermal growth factor P pastoris analog Insulin-like growth factor-1 Thiếu hụt yếu tố sinh Cephalon P pastoris trưởng giống insulin Human serum albumin Ổn định thể tích máu Mitsubishi Pharma (formely P pastoris vết bỏng/sốc Welfide) Kallikrein inhibitor Dyax Jan 7, 2022 15 VAI TRỊ CỦA CƠNG NGHỆ THU HỒI SẢN PHẨM TRONG CÁC Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC Tầm quan trọng thu hồi sản phẩm Sản phẩm q trình sản xu ất sử dụng cơng ngh ệ sinh học thường tồn nồng độ loãng hỗn hợp phức tạp Thu hồi sản phẩm (downstream processing) từ hỗn hợp trình nâng cao nồng độ tinh chế chất mong muốn Thu hồi sản phẩm phụ thu ộc lớn vào chất sản phẩm, quy mô thị trường, giá trị bán thị trường sản phẩm tiêu chuẩn kỹ thuật sản phẩm Vấn đề kinh tế định liệu trình sản xuất, thu hồi thực quy mô công nghiệp hay không Trong sản xuất công nghiệp, quy mô sản xu ất tăng tính kinh tế phương pháp thu hồi sản phẩm tr nên đ ăc bi ệt quan trọng - Giá thành thu hồi sản phẩm thường chiếm 50% giá thành sản phẩm cuối Jan 7, 2022 16 Quyết định hiệu kỹ thuật, hiệu kinh tế trình sản xu ất Hiệu suất thu hồi giai đoạn quy trình cao - Hiệu suất thu hồi toàn cao : Qui trình giai đoạn với hiệu suất thu hồi giai đoạn 85% hi ệu su ất thu h ồi t c ộng c c ả trình 27% Muốn hiệu suất thu hồi tổng c ộng c c ả trình 94% hi ệu su ất thu h ồi c giai đoạn cần đạt 99%) Công nghệ cũ, sử dụng nhiều thiết bị phân tách thấp, cần nhiều cơng đoạn thu hồi, chi phí lớn, hiệu thấp Công nghệ đại sử dụng thiết bị phân tách cao, hiệu thu hồi lớn, chi phí tiết kiệm Quyết định phân mảng thị trường sản phẩm công nghệ sinh học công nghiệp sinh học Khái niệm thu hồi tinh chế sản phẩm khác Tính chất sản phẩm, giá bán nhu cầu thị trường đa số sản phẩm xác định giá trị gia tăng ( lợi nhuận ) sản phẩm hay lợi nhuận khác nhiều Sự phân mảng thị trường dựa độ lớn thị trường giá bán sản phẩm Các giá trị định hiệu suất công nghệ thu hồi sử dụng sản xuất sản phẩm Jan 7, 2022 17 - Khu vực 1: factor VIII hay urokinase - Khu vực 2: Insulin, glycerophosphate dehydrogenase,lutiferase, - Khu vực 3: kháng sinh, protease, amylase, axit hữu (lactic, acetic citric), dung môi hữu c (ethanol, butanol, vv) Jan 7, 2022 18 Nhu cầu sử dụng sản phẩm công nghệ sinh học Jan 7, 2022 19 Nhu cầu phát triển sản phẩm công nghệ sinh học Sự cần thiết phát triển sản phẩm Các kỹ thuật dùng trình thu hồi sản phẩm cơng nghệ sinh học sử dụng phụ thuộc vào mục đích, nhu cầu sử dụng sản phẩm Jan 7, 2022 20 Sự quay vòng sản phẩm Quay vòng phát triển sản phẩm nhằm hồn thiện qui trình sản xuất việc làm thường xuyên, cần thiết để đảm bảo hiệu kinh tế, đáp ứng yêu cầu thị trường Các kỹ thuật thu hồi sản phẩm lựa chọn theo mục đích sử dụng giai đoạn Các đăc điểm trình phát triển, quay vịng sản phẩm xác định trình tự qui trình thu hồi sản phẩm Sự phát triển bước thu hồi thử nghiệm qui mơ phịng thí nghiệm đến đích cuối sản xuất công nghiệp Jan 7, 2022 21 KẾT LUẬN Công nghệ sinh học ngành khoa học ứng dụng hiểu biết ng ười v ề hệ thống sống để sử dụng hệ thống hoăc thành phần chúng cho mục đích công nghiệp Các sản phẩm công nghệ sinh học vô đa dạng số lượng chất lượng, sản phẩm công nghệ sinh học phân bố lĩnh vực nông nghiệp, y dược, công nghiệp chế biến thực phẩm, xử lý môi trường Sản phẩm trình sản xuất sử dụng công nghệ sinh học thường tồn nồng độ loãng hỗn hợp phức tạp Các kỹ thuật thu hồi sản phẩm đại, thu hồi có độ phân tách cao giải quy ết vấn đề nâng cao n ồng đ ộ tinh chế sản phẩm mong muốn Nâng cao hiệu suất, tăng hiệu kinh tế Trong công nghệ sinh học đại ngày nay, cơng nghệ thu hồi cần nhìn nhận đánh giá vai trò quy ết đ ịnh lên ch ất l ượng, tính ch ất giá thành sản phẩm công nghệ sinh học, để từ có đầu tư nghiên cứu, ứng dụng khai thác triệt để hiệu công nghệ việc phát triển s ản xu ất Jan 7, 2022 22 Xin trân trọng cam ơn Jan 7, 2022 23 ... sử dụng biogas, xây dựng dự án l ớn s ản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu Jan 7, 2022 SẢN PHẨM TRONG CÁC Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC SẢN PHẨM CÔNG NGHỆ SINH HỌC: Theo lĩnh vực Công nghệ sinh... triệu hecta), Argentina (24,4 triệu hecta); Ấn Độ (11 triệu hecta) 5.Canada (10,8 triệu hecta) Trong 18 năm (1996 - 2013), diện tích trồng công nghệ sinh học tăng liên tục tới 100 lần (từ 1,7... bỏng/sốc Welfide) Kallikrein inhibitor Dyax Jan 7, 2022 15 VAI TRỊ CỦA CƠNG NGHỆ THU HỒI SẢN PHẨM TRONG CÁC Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC Tầm quan trọng thu hồi sản phẩm Sản phẩm trình sản xu ất
