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(共36张PPT)
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，价格贵如金。
随着发酵技术的发展，如今一瓶规格160万单位的青霉素注射剂价格只要一元左右。
？今天用于治疗细菌感染的青霉素是怎样生产的？
通过发酵工程生产
从社会中来
第3节 发酵工程及其应用
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术的建立
密闭式发酵罐的成功设计
严格控制环境条件(温度、pH、
溶解氧压强、营养物、泡沫等)
大规模生产发酵产品
微生物的特定功能
现代工程技术
一 发酵工程的产生
是指利用微生物的特定功能，规模化生产人类所需产品的综合性生物工程。
2 发酵工程
1 发酵工程形成的前提条件
选育高产菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
二 发酵工程的基本环节
(1)目的：
获得__________________
性状优良的菌种
（2)菌种来源：
（3)实例：
①自然界筛选
②诱变育种
③基因工程育种
（常规菌）
（工程菌）
产柠檬酸量高的黑曲霉
基因工程改造的啤酒酵母
筛选产酸量高的 用来生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期；
黑曲霉
发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种
1选育菌种
发酵工程与传统发酵技术最大的区别
(1)目的：
获得_______________
更多的菌种
(2)原因：
工业发酵罐的体积大，需要接入的菌种多
(1)在生产实践中，培养基的配方要经过___________才能确定。
反复试验
(1)原因：
①杂菌与菌种之间形成 关系使产量下降
②杂菌产生的 抑制菌种的生长使产量下降。
（2)对象：________和___________；
发酵设备
3配制培养基
4灭菌
培养基
种间竞争
代谢物
在青霉素生产过程中如果被杂菌污染了，杂菌分泌青霉素酶将青霉素分解掉。
(2)类型： 。
液体培养基
2 扩大培养
(3)培养基类型:液体培养基
将_____________的菌种投放到 中
发酵罐
扩大培养后
—发酵工程的中心环节
5接种
6发酵罐内发酵
谷氨酸的发酵生产，在中性和弱碱性条件下会积累 ；
在酸性条件下则容易生成 和 ；
谷氨酸
谷氨酰胺
N-乙酰谷胺酰胺
操作 目的（原因）
随时检测培养液中微生物数量、产物浓度 了解发酵进程
及时添加必需的营养成分 确保发酵过程高效和稳定
严格控制温度、pH、溶氧量等发酵条件 环境条件会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物代谢物的形成
(1)相关操作及目的(原因)
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器及控制装置
冷却水进入口
阀门
空气入口
放料管
生物传感器装置
搅拌叶轮
发酵液
冷却夹层
冷却水排出口
pH计
排气管
电动机
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
控制溶解氧含量
不断搅拌的目的：
①增加培养液中的溶解氧
②使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率；
③有助于充分散热；
(2)发酵条件及相应的调节和控制方法：
(3)现代发酵工程使用的发酵罐的优点：
均有 ，
能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、
罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等
进行 和 ，
还可以进行 ，
使发酵全过程处于 。
计算机控制系统
监测
控制
反馈控制
最佳状态
7分离、提纯产物
发酵产物类型 获得产品的方法
过滤、沉淀等方法
适当的提取、分离和纯化措施
分离、提纯产物的方法措施：
微生物细胞
代谢物
8获得产品
酱油
味精
啤酒
青霉素
根瘤菌
要进行质量检查，合格后才能成为正式产品
能否通过一般的过滤、沉淀等方法将氨基酸从培养液中分离提取出来
判断
不能，氨基酸是小分子物质。
吸附法：利用吸附剂在一定的pH下，使发酵液中的产物吸附在固体吸附剂上，然后改变pH，通过洗脱剂使之解吸下来。
沉淀法：通过改变条件或加入某种沉淀剂，使发酵液中的目的产物生成不溶性颗粒而沉淀析出的过程。
萃取法：将溶剂加入到发酵罐中，根据发酵液中不同组分在溶剂中溶解度不同，将所需代谢产物分离出来。
离子交换法：根据发酵产物的酸碱度、极性和分子大小的差异而进行分离纯化。
膜分离法：利用膜材料的选择透过性进行分离的一种方法，包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等。
层析法：基于物质在两相（固定相和流动相）间的分配系数差异进行分离的技术，包括吸附层析、分配层析、凝胶过滤层析和亲和层析等。
浓缩法：通过蒸发、冷冻、反渗透等方式去除发酵液中的水分或其他溶剂，以提高产物浓度。
结晶法：通过控制温度、压力和溶剂浓度等条件，使发酵液中的产物从溶液中析出形成固体晶体的过程。
干燥法：除去发酵产物中水分或其他溶剂的过程，包括晒干、风干、烘干、喷雾干燥和冷冻干燥等。
蒸馏法：利用混合物中各组分沸点的不同，通过加热使其汽化后再冷凝的方式进行分离。
小资料 发酵产品的提取方法
思考 讨论 发酵工程基本环节分析 p23
1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？
在低成本的培养基上能迅速生长繁殖
生产所需代谢物的产量高
菌种不易变异、退化等
容易控制；
2.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界
环境中吗？
不能。发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。
②产物方面：
④发酵条件：
③菌体方面：
①培养方面：
项目 发酵工程 传统发酵技术
菌种
对发酵条件的控制
产品处理
生产规模和产品
分离和提纯产物的方法较多。最后需要进行质量检查
不会再对产物进行分离和提纯处理，或仅采用简单沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。
大多是单一菌种
原材料中天然存在的混合菌种
严格无菌操作，通过现代工程技术对发酵条件精确地控制，使发酵条件处于最佳状态
不是无菌操作，容易受到杂菌污染，对发酵条件不能严格控制，易受外界条件影响
生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本低，产物多样，产量高
通常是家庭式或作坊式的，产量低，生产往往受季节和原料限制，产品风味品种比较单一，质量不稳定
3.发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
产物专一
生产条件温和
原料来源丰富且价格低廉
废弃物对环境污染小且容易处理
发酵工程的特点
在食品工业上的应用
在医药工业上的应用
在农牧业上的应用
在其他方面的应用
发酵工程的应用
三 发酵工程的应用
1在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵产品
实例1：工业生产酱油
实例2：工业生产酒类
大豆蛋白质
小分子肽
和氨基酸
酱油
谷物、水果
酒精+CO2
霉菌产生
蛋白酶
酵母菌
无氧条件
淋洗调制
各种酒类
各种酒类
啤酒的工业化生产流程
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
冷却
大麦种子发芽，释放淀粉酶。
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉分解，形成糖浆。
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
酵母菌将糖转化为酒精和CO2
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
消毒
终止
后发酵
过滤
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
啤酒的工业化生产流程
大部分糖的分解、酵母菌的繁殖和代谢物的生成
低温、密闭的环境下储存一段时间
终止麦芽生长，减少有机物消耗，保留营养物质；
便于糖化
【讨论1】啤酒发酵的过程及内容：
过程 内容
主发酵
后发酵
【讨论2】啤酒花的作用：
①使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐力。
②形成啤酒优良的泡沫。
③有利于麦芽汁的澄清。
④平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲。
酵母菌的繁殖、糖的分解、代谢物的生成
低温、密闭环境下储存
【讨论3】现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿” 啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒
原料
是否添加食品添加剂
麦芽汁浓度
发酵时间
特点
只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
较高，口味浓郁
较低，口味清淡
长，可达2个月
短，通常7天左右
品质不稳定、产量低、价格高
产量高、价格低
（2)生产食品添加剂
①食品添加剂的作用：
增加食品的营养
改善食品的口味、色泽和品质
延长食品的保存期
食品添加剂 ≠ 违法添加物
添加剂的类型 举例
酸度调节剂
增味剂
着色剂
增稠剂
防腐剂
②常用的几类食品添加剂
L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
5’-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
β-胡萝卜素、红曲黄色素
黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
乳酸链球菌素、溶菌酶
淀粉
黑曲霉
葡萄糖
柠檬酸
谷氨酸
棒状杆菌
谷氨酸
味精
柠檬酸合成酶
发酵
氧气
处理
淀粉酶
实例1：工业生产柠檬酸
实例2：工业生产味精
③实例
食品酸度调节剂
（3)生产酶制剂
概念：
从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
来源：
少数由动植物生产外，
大多数通过发酵工程生产
应用：
用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产量等。
产品：
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
2在医药工业上的应用
生产抗生素
例如应用青霉菌生产青霉素，用于治疗脑膜炎、肺炎等。
生产多种氨基酸
例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍
导致血氨浓度升高）等疾病。
生产激素
利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。
生产疫苗
利用工程菌生产乙肝疫苗
(1)产品举例
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
(2)发酵工程生产的药物的方法：与基因工程、蛋白质工程相结合
重组乙型肝炎疫苗
3在农牧业上的应用(活菌或代谢物）
(1)生产微生物肥料
①种类：
根瘤菌肥、固氮菌肥等
②作用原理：
利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。
抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
①作用机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
生物防治
微生物或代谢产物 防治病虫害种类
(2)生产微生物农药
苏云金杆菌(Bt毒蛋白)
80多种农林害虫
白僵菌(真菌)
玉米螟、松毛虫
一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素）
水稻枯纹病
②常见类型
(3)生产微生物饲料
①原理：
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
实例1——单细胞蛋白
以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，
通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白；
应用：
生产过程：
食品添加剂、微生物饲料；
成分：
含有丰富的蛋白质、糖类、脂质和维生素等物质
实例2-乳酸菌
在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
②常见微生物饲料：
4 在其他方面的应用
(1)解决资源短缺与环境污染问题
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。
(2)将极端微生物应用于生产实践
①极端微生物：自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
②应用举例：
嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂；
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。
(1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵（ ）
(2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ ）
(3)在发酵工程的发酵环节中,发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。（ ）
(4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ）
×
√
√
×
一、概念检测
练习与应用
1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。
(1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力)
可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。
(2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？
可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。
二、拓展应用
2.通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。
存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。
（1）在培养基中加入化合物A的目的是___________ ，这种培养基属于______培养基。
（2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量_____________的培养液，接入新的培养中续培养，使目的菌的数量___________。
1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。
化合物A的微生物
选择
显著降低
扩增
（3）若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落进行液体培养，再采用
方法进行计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。
细菌计数板计数
S形增长
复习与提高
筛选出可降解
1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。
（4）将目的菌用于环境保护实践时,还有哪些问题需要解决
目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践。
（5）有人提出,可以通过改造细菌的基因来获得能够降解化合物A的细菌,请分析这种方法是否可行。
可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。
2.某个高温日，某校三位高中学生相约去吃冰激凌，之后两人都出现腹泻现象，于是他们怀疑冰激凌中的大肠杆菌含量超标。老师建议他们利用学过的有关微生物培养的知识对此冰激凌进行检测。经过一番资料查阅,他们提出了如下实验设计思路。
立即去卖冰激凌的小店再买一个同样品牌的同种冰激凌；配制伊红一亚甲蓝琼脂培养基（该培养基可用来鉴别大肠杆菌，生长在此培养基上的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽）、灭菌、倒平板；取10 mL刚融化的冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释,稀释倍数为1×10-1×105 ；取每个浓度的冰激凌液各0.1 mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3个平板，一共培养18个平板;在适宜温度下培养48h，统计菌落数目。
（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。
①他们只打算对一个冰激凌进行检测，理由是：两个人吃过冰激凌后，都拉肚子了，所以再检测一个就足以说明问题。你同意这样的观点吗？为什么？
不同意。 只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。
②有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？
提示：我国卫生部门规定了饮用水标准， 1mL自来水中细菌总数不可以超过100个（37 ℃培养24 h），1000 mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个（37℃培养48 h）
没有必要。根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方案。
（2）下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是_________。
B
（3）在完善实验设计思路后，三位同学进行了实验。培养结果显示，除了深紫色菌落，还有其他菌落存在，这说明了什么？如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量，则统计结果比实际值是偏多还是偏少？为什么？
说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。
统计结果比实际值偏少。
因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个茵落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。
（4）如果实验结果显示,检测的冰激凌中大肠杆菌含量超标了。接下来他们应该做什么
应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。

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