资源简介

(共35张PPT)
第3节 发酵工程及应用
从社会中来
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。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，一瓶规格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？
选育菌种
扩大培养
培养基的配制、灭菌
接种
发酵罐内发酵
产品的分离、提纯
1、随着人们对 的认识， 技术的建立，以及 的设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下，大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成。
发酵原理
微生物纯培养
密闭式发酵罐
2、发酵工程的环节：
一般包括：菌种的选育
扩大培养
培养基的配制、灭菌
接种
发酵
产品的分离、提纯等
一、发酵工程的基本环节
一、发酵工程的基本环节
1.选育菌种
（1）目的：获得 。
（2）菌种来源 、________或 。
自然界中筛选
诱变育种
基因工程育种
性状优良的菌种
（3）菌种选育的重要性（意义）
优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。
（4）实例
生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉。
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程、缩短生产周期。
2.扩大培养
（1）目的：获得 。
（2）原因：
一般较大，因此，需要接入的 大（数目多）
（3）扩大培养的培养基一般为 。
工业发酵罐的体积
菌种总体积
更多的菌种
液体培养基
一、发酵工程的基本环节
3.配制培养基、灭菌
（1）配制要求
①在 ，（结合菌种代谢特点）选择原料制备培养基；②在生产实践中，培养基的配方要经过 才能确定
（即不断优化培养基）；
（2）灭菌原因
发酵工程中所用的菌种大多是 ，一旦有杂菌污染，可能导致 。
（3）灭菌目的 。
反复试验
菌种确定之后
单一菌种
产量大大下降
避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量
培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
一、发酵工程的基本环节
电动机D1
排气管C3
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
发酵容器：________
发酵罐
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
一、发酵工程的基本环节
4.接种 将 的菌种投放到 中
发酵罐
扩大培养后
一、发酵工程的基本环节
5.发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
（1）地位 发酵罐内发酵是发酵工程的 。
（2）要求
①发酵过程中，要________培养液中___________、________等，以____________；
②要及时添加 ，要严格控制_____、____和______等发酵条件。
（3）严格控制发酵条件的原因
随时检测
中心环节
微生物数量
产物浓度
了解发酵进程
必需的营养组分
温度
pH
溶解氧
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态
一、发酵工程的基本环节
5.发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
（4）不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
①在 和 条件下会积累谷氨酸；
②在 条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。
中性
弱碱性
酸性
①谷氨酸发酵常用菌种为谷氨酸棒状杆菌。
②谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其与有氧呼吸有关的酶主要存在于细胞膜上。
③C:N的数值也会影响谷氨酸发酵过程：
C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；
C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。
5.发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
（5）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
一、发酵工程的基本环节
6.分离、提纯产物
（1）目的： 。
（2）产品的两种形式 ①______________；②_________。
（3）采取手段
①如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用_____、_____等方法将菌体_____和_____，即可得到产品。
②如果发酵产品是代谢物，可 采取____的_____、_____和_____措施来获得产品。
微生物细胞本身
获得产品
代谢物
过滤
沉淀
分离
干燥
根据产物的性质
适当
提取
分离
纯化
一、发酵工程的基本环节
思考·讨论 发酵工程基本环节分析
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？
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；②生产所需代谢物的产量高；③发酵条件容易控制；④菌种不易变异，退化等。
要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
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不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候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。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
思考·讨论 发酵工程基本环节分析
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。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
思考·讨论 发酵工程基本环节分析
P22旁栏思考提示：我国幅员辽阔，地理生态环境多样，这为各种微生物的生长繁殖提供了条件，有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。
基本环节 主要内容
①选育菌种
②扩大培养
③配制培养基、灭菌
④接种
菌种来源：自然界中筛选、诱变育种、基因工程育种
原因：工业发酵罐体积一般较大，需要接入的菌种总体积大
①在菌种确定之后（结合菌种代谢特点）选择原料制备；
②在生产实践中，培养基配方要经过反复试验才能确定；
③发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低；
④培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中
总结
基本环节 主要内容
⑤发酵罐 内发酵
①这是发酵工程的中心环节；
②发酵过程中，要随时监测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；
③要及时添加必需的营养组分；
④要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件；
⑤严格控制发酵条件的原因：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。严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。
⑥分离、提纯产物
①发酵产品的两种形式：微生物细胞本身、代谢物；
②前者采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥；
③后者根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施。
总结
发酵工程的优点：
①生产条件温和；
②原料来源丰富且价格低廉；
③产物专一；
④废弃物对环境的污染小和容易处理。
因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。
（1）生产传统的发酵食品
①实例1——生产酱油
②实例2——酿酒
谷物或水果
酿酒酵母
酒类
大豆
黑曲霉
蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
（2）生产食品添加剂
①食品添加剂优点
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。
②实例1——柠檬酸
柠檬酸是一种食品酸度调节剂，
可以通过黑曲霉的发酵制得。
③实例2——味精
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精，
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸。
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
（2）生产食品添加剂
④常见的食品添加剂
二、发酵工程的应用
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 乳酸链球菌素、溶菌酶
1.在食品工业上的应用
（3）生产酶制剂
①常见酶制剂
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶等
②酶制剂应用
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品产量等。
③酶制剂来源
少数由动植物生产，
绝大多数通过发酵工程生产。
二、发酵工程的应用
思考·讨论 啤酒的工业化生产流程
要点梳理：
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
主发酵
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
后发酵
思考·讨论 啤酒的工业化生产流程
主发酵
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
后发酵
思考：
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。
酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
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？
思考·讨论 啤酒的工业化生产流程
3.与传统的手工发酵相比，在上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
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。
4.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，我们如何看待大规模生产和小规模制作？
提示：应该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。
2.在医药工业上的应用
（1）采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。
（2）直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。
例如利用微生物生产生长激素释放抑制激素，提取紫杉醇、青蒿素前体等化合物，制作疫苗。
二、发酵工程的应用
生产疫苗具体操作：
将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。
3.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
①微生物肥料的种类
根瘤菌肥、固氮菌肥
②微生物肥料的作用
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，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥。
有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（2）生产微生物农药
①微生物农药的作用
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②防治类型 属于_________
③实例
二、发酵工程的应用
生物防治
微生物或代谢产物 防治病虫害种类
苏云金杆菌 80多种农林害虫
白僵菌 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
3.在农牧业上的应用
（3）生产微生物饲料
①原理
微生物含有丰富的蛋白质，且生长繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
许多国家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。
单细胞蛋白应用——食品添加剂、微生物饲料。
③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。
二、发酵工程的应用
4.在其他方面的应用
（1）解决资源短缺与环境污染问题
随着对纤维素水解研究的不断深入，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
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在各种极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
例如嗜热菌、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。
二、发酵工程的应用
小结
二、1.⑴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。
练习与应用
⑵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、2.在生产燃料乙醇时,为了规避这一风险，应该使用陈化粮(如陈化稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸杆等)。使用陈化粮生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。
1.⑴筛选出可以降解化合物A的微生物 选择
⑵显著降低 扩增
⑶细菌计数板计数 S形增长
⑷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。
⑸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
②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。
复习与提高
2.⑴①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
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，平板不进行涂布或者用无菌水涂布；另一组为阳性对照组，平板上涂布大肠杆菌。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。
⑵B
⑶提示：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
⑷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。

展开更多......

收起↑