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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，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢
亚历山大·弗莱明
英国1881-1955
青霉素之父
通过发酵工程生产
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐成功设计
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
发酵工程？
发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
第1章 发酵工程
第三节 发酵工程及其应用
1
认可发酵工程在生产上重要的应用价值。（社会责任）
2
基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程的概念。（科学思维）
学习目标
发酵工程的基本环节
结合教科书第22~23页图1-9“发酵工程的基本环节和发酵罐示意图”，回答下列问题
1.发酵工程的基本环节有那些？
2.可通过哪些途径获得发酵工程使用的优良菌种
3.获得优良菌种后为什么要对菌种进行扩大培养？
4.为什么要灭菌？
5.发酵工程的中心环节是？严格控制发酵条件的原因？
6.产品的两种形式以及获得的方法。
发酵工程的基本环节
生产柠檬酸
生产啤酒
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
谷氨酸
棒状杆菌
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
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？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖
②产量高；
③发酵条件容易控制；
④菌种不易变异、退化等。
发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养
2.获得优良菌种后为什么要对菌种进行扩大培养？
增加菌种数目，缩短生产周期。
一般为液体培养基，液体使微生物与营养物质接触更充分，利于微生物的繁殖。
方法：将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
发酵工程的基本环节
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量。
3.为什么要灭菌？
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
要对温度、pH和溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养组分。
发酵工程的基本环节
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
—发酵工程的中心环节
发酵罐发酵
装置编号 主要用途
A1-A3
A4
B1-B5
C1、C2
C3
D1、D2
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测。
通过控制冷水流速调节罐温
调节罐压
电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。
电动机D1
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3 阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
排气管C3
结合发酵罐示意图尝试解释发酵罐的构造及各部分的作用？
引起发酵罐内培养液的温度和pH变化的原因有哪些？发酵工程中如何调节温度和pH
pH: 培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。调节和控制培养液pH的方法是在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。
温度：微生物分解有机物释放的能量，机械搅拌也会引起温度升高。发酵工程中常用冷却水进行温度的调节。
发酵工程的基本环节
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
传统发酵技术获得的产物一般是成分复杂的混合物，一般不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。
在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法，进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
4.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？为什么？
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。
发酵工程的基本环节
1.啤酒的发酵过程分为_________和_________两个阶段；
2.主发酵阶段完成____________________________________________________；
3.后发酵的条件_____________________________________；
4.焙烤的目的：_____________________________________；
5.蒸煮的目的：______________________________________________________。
主发酵
后发酵
酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成
低温、密闭的环境下储存一段时间
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌
阅读课本P24
啤酒的工业化生产流程
发酵工程的基本环节
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。
讨论
1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖；
“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。
2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？
酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸
发酵工程的基本环节
1.与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
2.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？
菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制，产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。
辩证地看待这一产品。
一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。
另一方面,这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
啤酒的工业化生产流程
啤酒的工业化生产的五点提醒
（1）啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩大培养，缩短生产周期。
（2）焙烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。
（3）蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。
（4）发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。
（5）接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。
注意说明
发酵工程的应用
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
阅读教材24-27页回答以下问题：
1.发酵工程有哪些方面的应用？
2.在食品工业上的应用有哪些？
3.在医药工业上的应用有哪些？
4.在农牧业上的应用有哪些？
1. 生产传统发酵产品
酱油
大豆
(主要原料)
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽
和氨基酸
淋洗、调制
(1)酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
(2)各种酒类的生产
在食品工业上的应用
发酵工程的应用
2. 生产各种各样的食品添加剂
添加剂类型 举例
酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
增味剂 5`-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂 乳酸链球菌、溶菌酶
添加了柠檬酸的饮料
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
食品添加剂的作用
发酵工程的应用
在食品工业上的应用
发酵工程的应用
3. 生产酶制剂
食品直接生产
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
提高产品产量
酶制剂的作用
α-淀粉酶
β-淀粉酶
果胶酶
脂肪酶
氨基肽酶
… …
酶制剂
在食品工业上的应用
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
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
发酵工程生产的药物
发酵工程的应用
在医药工业上的应用
未来还可能可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。
微生物肥料利用了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。
2.生产微生物农药
微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。
微生物农药作为生物防治的重要手段。
3.生产微生物饲料
1.生产微生物肥料
发酵工程的应用
在农牧业上的应用
单细胞蛋白
利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
利用苏云金杆菌防治多种农林虫害；利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫；利用一种放线菌产生的抗生素（井岗霉素）防止水稻枯纹病。
微生物含有丰富的蛋白质。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。
用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
发酵工程的应用
1.解决资源短缺和环境污染问题
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质
2.对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量
在其他方面的应用
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决　 和　　 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
粮食、环境、健康
能源
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
发酵工程
特点：
①菌种纯、产量大、质量稳定；
②大规模生产、高度自动化控制
传统发酵技术
①混合菌种
②固体发酵、半固体发酵
③家庭式、作坊式制作
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.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。
（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_______________。
筛选出可降解化合物A的微生物
选择
显著降低
扩增
复习与提高（P30）
（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
呈S形增长
（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
（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。
复习与提高（P30）
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× 10~1×10 ；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。
复习与提高（P30）
（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？
①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。
复习与提高（P30）
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）， 1 000 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。
③他们认为，在用该方法统计菌落数目时不需要设计对照组,所以只准备培养18个平板。你认为在这项检测中是否需要对照组？为什么？
③需要设置对照组。严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可以说明培养基是否被污染，后者可以说明该培养基能否培养出大肠杆菌。
（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。
复习与提高（P30）

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