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(共29张PPT)
第3节 发酵工程及其应用
第1课时
第一章
人教版 选择性必修3
青霉素
是世界上第一个应用于临床的抗生素。
你知道青霉素的历史吗？
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。
早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到
一根金条
如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂
一元
？
目录
CONTENTS
发酵工程的应用
2/
发酵工程的基本环节
1/
任务一、自主阅读教材P22页，了解发酵工程的概念和基本环节
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐设计成功
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
现代化工程技术
利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，
生产对人类有用的物质的技术体系。 ——发酵工程
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
发酵工程的基本环节一般包括：
有没有你熟悉的环节？
1.选育菌种
我国幅员辽阔,地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这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決定了生产发酵产品的成败。
例1：生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。
生产味精就需要筛选谷氨酸棒状杆菌
例：使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒。
①.目的：
获得性状优良的菌种
②.菌种来源：
1.从自然界中筛选
2.诱变育种
3.基因工程育种
例：通过不断诱变选育，得到青霉素产量高的菌株-黄青霉
1.选育菌种
性状优良菌种
发酵工程基本环节：
产柠檬酸量高的黑曲霉
基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程，缩短生产周期
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生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；
③菌种不易变异、退化等。
1.选育菌种
3.优良菌种特点（了解，不做考试要求）：
第一，应选择高产的菌种，使菌种的发酵产物中，需要的产物多，不需要的产物少；
第二，培养基来源充足且廉价，被转化的效率高；
第三，菌种发酵产物易于分离；
第四，菌种对环境没有明显或潜在的危害；
第五，菌种的遗传特性和生产能力稳定。
1.选育菌种
选育优良的菌种是发酵工程的首要条件
2.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，再进行培养。
1.目的：
2.原因：
一间教室如果长为8米,宽为6米,高有4米,概有192立方
3.如何扩大培养： （了解，不做考试要求）
快速增加菌种数量，确保有充足的菌体参与发酵
3.如何扩大培养： （了解，不做考试要求）
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。
如：青霉素培养基的碳源主要是工业用葡萄糖或淀粉的酶水解物，氮源为玉米浆、硫酸铵或氨水，无机盐主要有硫酸钠和磷酸二氢钾等。
发酵培养基要求菌种能大量生产目的产物，所用原料廉价且易于获得。
你知道青霉素如何从天价变为白菜价的吗？
3.配制培养基
1.灭菌操作：
在发酵之前必须采用高压蒸汽对大型发酵罐、培养基和附属设备进行灭菌。
2.原因：
发酵工程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。
例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。
4.灭菌
避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量
5.接种
将 的菌种投放到 中。
发酵罐
扩大培养后
1）随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，了解发酵进程。
2）要及时添加必需的营养成分，
3）要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件；
为什么要严格控制发酵条件？
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；
实例——谷氨酸发酵
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。
—发酵工程的中心环节
在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸
在酸性条件下会积累谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺
6.发酵罐发酵
D1
C3
B3
C2
D2
B4
A4
A2
A3
A1
B1
B2
B5
C1
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。
这是发酵工程的中心环节。
发酵过程应注意：
要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；
及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物；
严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，已获得所需的发酵产物。
6.发酵罐发酵
小资料
酿酒酵母在中性和酸性发酵条件下，可将葡萄糖发酵产生乙醇和二氧化碳，而在碱性条件下的发酵产物则是甘油。
通气状况会影响生成的发酵产物种类。
例如，在谷氨酸发酵中，适量通气条件下菌种发酵生成谷氨酸，通气不足则发酵生成乳酸或琥珀酸。
发酵温度也会影响微生物的代谢途径和方向，从而对发酵产物的生成产生影响。
例如，灰色链霉菌的一种嗜冷突变菌株在其他条件相同，发酵温度不同时，会产生完全不同的抗生素：在12 ℃条件下发酵产物为冷霉素，在28 ℃条件下发酵产物为抗生素M-81。吸水链霉菌在28 ℃时的发酵产物为静丝霉素，在37～40 ℃时的发酵产物为井冈霉素。
1）如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品。
2）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）发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理
二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。
7.分离、提纯、获得产品
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。
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
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。
接种
选育菌种
制备培养基
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。
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
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。
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。
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。
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。
产品类型 主要产物
微生物菌体细胞 酵母菌 、 食用菌 、 微生物农药
微生物酶类 各种酶 、 酶制剂和各种曲类
微生物代谢产物 初级代谢产物 ， 如氨基酸 、 有机酸 、 有机溶剂 、 核苷酸 、 蛋白质 、 核酸和维生素 ； 次级代谢产物 ， 如抗生素 、 生物碱和植物激素类似物
微生物转化产物 利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系 ， 将一种化合物转化成含有特殊功能基团的产物 。 例如 ， 将甘油转化为二羟基丙酮 ， 将葡萄糖转化为葡萄糖酸 ， 将甾体转化成甾体激素
工程菌发酵产物 通过基因工程和细胞工程创造出许多具有特殊功能的 “ 工程菌 ”， 用发酵技术生产更多更好的产品 ， 发挥更大的经济效益
动植物细胞的产物 通过大规模培养木瓜细胞 ， 生产木瓜蛋白酶 ； 利用植物细胞培养技术生产天然食用色素等
发酵工程产品的主要类型
发酵工程基本环节小结
选育菌种
扩大培养
配置
培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
①从自然界中筛选的常规菌种
①配置原则：目的明确、营养协调、pH适宜
①目的：防止杂菌污染
①检测培养液中的微生物数量、产物浓度等
地位：中心环节
②通过诱变育种或基因工程育种获得
②营养构成：水、无机盐、碳源、氮源等
②对象：培养基和发酵罐
②及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物
②代谢物：适当的提取、分离和纯化措施
③严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件
③注意：培养基使用前要经过反复试验才能用于大规模生产
条件：环境条件稳定、温和，利于菌种生长繁殖
目的：增加菌种数量
所用培养基：液体培养基或固体培基
①菌体本身：过滤、沉淀
监控
途径
一
测一测：这些问题你能回答吗？
一
问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？
需要考虑的因素包括：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；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。
问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、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。
一
问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、过滤等方法来分离和提纯产物。
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，都需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。
一
问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。
1.发酵工程的正确操作过程是
①发酵　②培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　
⑤菌种的选育　⑥接种　⑦扩大培养
A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④
C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③①
B
2.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是
A.菌种选育是发酵工程的中心环节
B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行
C.在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢产物的形成
D.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但是不影响微生物的代谢途径
C
3.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究。下列叙述正确的是
A.为加快发酵速度，应使发酵液保持35 ℃的恒温
B.给发酵罐适时排气，后期可缩短排气间隔时间
C.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定
　何时终止发酵
D.若定期对培养液中酵母菌进行计数，只能采用
　稀释涂布平板法
C

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