mở đầu cho công nghiệp lên men dựa trên cơ sở khoa học. Công nghệ sinh học đã bắt đầu với ngành sản xuất bia. Vào thời đó, Đức là một quốc gia tiêu thụ rất nhiều bia. Sản xuất loại thức uống có cồn này là một ngành có lợi nhuận lớn, mặt khác thuế đánh trên mặt hàng này cũng đóng góp phần không nhỏ vào ngân sách nhà nước.
Điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu có chiều sâu về quá trình lên men bia và tìm cách ứng dụng vào công nghiêp. Trung tâm nghiên cứu nổi tiếng nhất về lĩnh vực này là Viện Carlsberg đã tìm ra nhiều quy trình rất đặc biệt để nấu bia. 8 Năm 1897, Eduard Buchner - nhà hóa học và men học đã khám phá ra nguyên nhân sâu xa hơn của sự lên men. Ông đã dùng các chất chiết từ nấm men sau khi đã nghiền và lọc qua phễu lọc sứ (sau này gọi là phễu Buchner) để lên dịch quả vô trùng thành rượu mà không cần tế bào nấm men sống và đã đi đến kết luận là sự chuyển hóa các loại đường có trong dịch quả thành rượu có bản chất hóa học mà không phải là sinh học.
Buchner cũng khám phá ra rằng chất do nấm men tiết ra để chuyển đường thành rượu có bản chất là protein và ông gọi đó là “zymase” và từ đó tiếp vĩ ngữ “ase” được dùng để chỉ enzyme. Ông cũng đã nhận được Giải thưởng Nobel về Hóa học năm 1907. Trong Thế chiến thứ nhất, do chiến tranh và sự cấm vận mà sự cung cấp các nhu yếu phẩm cho con người cũng như nguyên liệu cho công nghiệp bị giảm sút. Các nhà khoa học đã tham gia để giải quyết vấn đề này và công nghệ sinh học bắt đầu phát triển mạnh.
Đức đã sử dụng sinh khối từ quá trình lên men để thay thế 60% thức ăn gia súc mà trước đó họ phải nhập khẩu, sản xuất axit lactic, aceton, butanol,. Năm 1917, James Currie, khám phá ra rằng một số chủng nấm mốc Aspergillus niger có khả năng tạo axit citric rất tốt và ngay lập tức Công ty Pfizer đã sản xuất axit này ở quy mô công nghiệp bằng phương pháp nuôi cấy bề mặt. Đặc trưng của giai đoạn thứ hai là sự hiểu biết về hoạt tính của vi sinh vật, vai trò của vi sinh vật trong lên men sản xuất đồ uống có cồn, giai đoạn được đánh dấu bằng việc đặt cơ sở khoa học cho quá trình lên men sản xuất lớn các sản phẩm lên men truyền thống. Thời kỳ phát triển lên men công nghiệp (1941-1970) Đây là giai đoạn phát triển công nghiệp kháng sinh, hóa chất và kiểm soát môi trường, bao gồm sự xuất hiện của các chất kháng sinh, những tiến bộ về di truyền học trong việc chọn lọc các thể đột biến vi khuẩn, sự nghiên cứu các điều kiện lên men tối ưu, kỹ thuật học lên men, việc tách và tinh chế sản phẩm.
Năm 1928, Alexander Fleming - nhà vi sinh vật học, Hình 1.6: Ngài Alexander sinh lý học và dược học người Scotland, người đã phát minh Fleming (1881-1955). ra lysozym năm 1923, đã khám phá rằng các chất benzylpenicillin (penicillin G) từ nấm mốc Penicillium notatum có khả năng tiêu diệt một số vi sinh vật gây bệnh rất hiệu quả. Đến 1940, penicillin, chất kháng sinh đầu tiên được sản xuất ở quy mô công nghiệp bằng phương pháp lên men và được ứng dụng rất hiệu quả trong y học. Ông đã cùng Howard Florey and Ernst Boris Chain nhận Giải Hình 1.
Waksman tại phòng thưởng Nobel về sinh lý học và y học năm thí nghiệm, Đại học Rutgers, nơi nghiên 1945. Ông cũng có nhiều công trình công bố cứu phát minh ra chất kháng sinh về vi sinh vật học, miễn dịch học và hóa trị actinomycin, 1940. Từ đó đã mở ra hướng ứng dụng lên men 9 để sản xuất các loại kháng sinh và hàng loạt các chất khác như steroid, vitamin. Nhiều năm sau này, những phát minh penicillin, streptomycin và phát triển thương mại các chất này được xem khởi đầu cho kỷ nguyên kháng sinh.
Ngay từ những năm 1940, Selman A. Waksman, nhà vi sinh vật đất tại Trường Đại học Rutgers (Mỹ) đã thành công trong lĩnh vực kháng sinh nhờ phát minh ra nhiệu chất kháng sinh mới từ vi khuẩn sợi (xạ khuẩn) như actinomycin D, neomycin, và đặc biệt là một loại “thuốc tuyệt vời” và nổi tiếng đó là streptomycin. Kết hợp với việc phát triển các quá trình công nghiệp giữa các trường đại học Rutgers, Princeton, Columbia và Merck & Co. đã sinh ra lĩnh vực mới kỹ thuật sinh hóa (biochemical engineering).
Sau đó nhiều chất kháng sinh từ xạ khuẩn được phát hiện và trở thành “thuốc tuyệt vời” như chloramphenicol (1947), tetracyclin (1948), các kháng sinh macrolid như erythromycin (1952), các kháng sinh glycopeptid như vancomycin (năm 1956), các kháng sinh aminoglycosid như gentamicin (1963), các kháng sinh β-lactam như cephamycin (1970) và carbapenem (1979), các kháng sinh ansamycin như rifamycin (1957) và các kháng sinh polyen như nystatin (1950).000 chất trao đổi thứ cấp được phát hiện, trong đó có khoảng 12.000 chất kháng sinh, trong đó khoảng 70% từ xạ khuẩn, còn vi khuẩn chiếm 10% và nấm mốc chiếm 20%. Năm 1957, bột ngọt (monosodium glutamat) được Ajinomoto đưa vào sản xuất ở quy mô lớn bằng phương pháp lên men. Đặc trưng của giai đoạn thứ ba là sự phát triển của một nền công nghiệp vi sinh vật độc lập. Người ta đã điều khiển được các quá trình siêu tổng hợp ở vi sinh vật và tạo ra được hàng loạt các chủng đột biến.
Nhờ đó đã sản xuất ở quy mô lớn các chất kháng sinh, mỳ chính, lysine và nhiều loại axit amin khác. Giai đoạn phát triển công nghệ sinh học hiện đại (1980 đến nay) Nhờ các phát minh ra hiện tượng biến nạp (transformation) của Griffith (1928) và hiện tượng tiếp hợp của Lederberg và Tatum (1946), chứng minh vật liệu di truyền là DNA của Avery, MacLeod (1944), khám phá ra cấu trúc của DNA của Watson và Crick (1953) và phát hiện sự điều hoà tổng hợp protein của Jacob & Monod (1957) đã đặt nền móng cho kỹ thuật di truyền. Từ năm 1973, Berg, Boyer & Cohen đề xuất kỹ thuật di truyền. Sau khi phát hiện ra enzyme cắt giới hạn (restrictase) của Nathans, Smith & Arber (1971), enzyme sao chép ngược của Dulbecco, Temin, Baltimore (1975) và enzyme endonuclease giới hạn của Werner Arber (1978) đã đề xuất ra công nghệ DNA tái tổ hợp dựa trên phát triển công nghệ gene.
Như vậy, giai đoạn này được được đánh dấu Hình 1.8: Chọn dòng (cloning) gen bằng bằng sự phát hiện ra các enzyme cắt giới hạn plasmid ứng dụng trong công nghệ sinh học. restrictase và các plasmid với sự gắn các 10 gene lạ mang các thông tin tổng hợp các protein đặc biệt vào một cơ thể đã trở thành một phương pháp thông dụng và sự kiểm soát ngày càng tốt hơn sự biểu hiện của các gene này. Từ những nghiên cứu sâu về bộ gene (genome) của vi khuẩn, người ta đã lập được bản đồ gene giới hạn của nhiều loài vi sinh vật và cũng từ đó đã thiết lập được Ngân hàng gene của nhiều loài sinh vật. Với những nghiên cứu sâu sắc về genome của vi sinh vật đã góp phần phát triển mạnh mẽ ngành công nghệ sinh học (Hình 1.
Ngược lại, cũng nhờ những thành công của công nghệ di truyền đã góp phần phát triển mạnh mẽ công nghệ vi sinh vật. Ngày nay, sản xuất penicillin và cephalosporin công nghiệp vẫn được lên men bằng các chủng của loài Penicillium chrysogenum và Aspergillus chrysogenum. Hầu hết các chủng sản xuất được tuyển chọn bằng đột biến có định hướng. chrysogenum của hãng Panlabs chỉ đạt 20.000 đv/ml sau 7 ngày lên men (tương đương 12 mg penicillin G, Na/ml), năm 1990, chủng cải biến đã đạt 70.000 đv/ml tăng 500 lần so với chủng P.
chrysogenum NRRL 1951 sản xuất ở mức độ công nghiệp đầu tiên năm 1951. Hiện nay, các chủng sản xuất penicillin công nghiệp có hiệu suất rất cao khoảng 150.000đ v/ml môi trường lên men. Do hiệu suất tăng, nên giá thành penicillin G trên thế giới ngày càng hạ. Công nghệ di truyền đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong lĩnh vực y tế, bảo vệ sức khỏe con người.
Từ những năm 1980, cùng với sự phát triển của sinh học phân tử, của kỹ thuật gene, người ta có thể tạo ra các chủng vi sinh vật có những tính chất công nghệ tốt, thì kỹ thuật lên men càng phát triển mạnh, ứng dụng của lên men được mở rộng và sản phẩm của lên men trở nên rất đa dạng. Đặc trưng của giai đoạn thứ tư là các quá trình lên men theo hướng công nghệ sinh học tiến tới sản xuất các sản phẩm ở cấp độ công nghiệp sinh học, không những đa dạng các loại sản phẩm mà còn nâng cao hiệu quả kỹ thuật, hiệu quả kinh tế, chất lượng của sản phẩm đáp ứng yêu cầu của thị trường. Một số thành tựu nổi bật hiện nay của công nghệ vi sinh vật 1. Đối với y học - Sản xuất vaccin thế hệ mới: Vaccin ribosom, vaccin kỹ thuật gene, vaccin tạo ra từ các thành phần của virus.
có rất nhiều ưu điểm: Rất an toàn vì không sử dụng trực tiếp vi sinh vật gây bệnh; giá thành hạ vì không phải nuôi virus trên phôi gà hay các tổ chức mô động vật vốn rất phức tạp và tốn kém, giảm bớt được chi phí vận chuyển và chi phí kiểm tra trước khi dùng. Vaccin ribosome được chế tạo từ ribosome của từng loại vi khuẩn gây bệnh, ít độc và tính miễn dịch cao; vaccin các mảnh virus được chế tạo từ glycoprotein của vỏ virus gây bệnh như gây bệnh cúm và vaccin tái tổ hợp được chế tạo từ vi khuẩn hay nấm men tái tổ hợp, có mang gene mã hoá việc tổng hợp protein kháng nguyên của virus hay vi khuẩn gây bệnh nào đó. - Sản xuất Insulin: Việc sản xuất insulin ở quy mô công nghiệp có lẽ là một trong những thành công rực rỡ và sớm nhất của công nghệ gen. Trước đây để có 100g insulin từ tụy tạng 4000-5000 con bò, do vậy giá thành cao và cũng có bệnh nhân không nhạy cảm với protein tách chiết từ động vật.
Bằng kỹ thuật di truyền thông qua vi khuẩn E. coli đã thu nhận được một lượng lớn insulin. Dung tích nồi lên men 1000 lit, sau một thời gian ngắn nuôi cấy có thể thu được 200g insulin, tương đương với lượng insulin chiết xuất từ 8. 11 Thành công này hết sức có ý nghĩa và lý thú vì gene của con người có thể làm việc một cách có hiệu quả trong genome của vi sinh vật.
- Sản xuất Interferon: Interferon có bản chất protein, là yếu tố miễn dịch không đặc hiệu, là chất giúp cơ thể có thể chống lại nhiều loại bệnh (có phổ tác dụng kháng virus rộng).