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(共15张PPT)
青霉素
问题探讨：抗生素等抗菌剂的抑菌或杀菌作用，主要是针对“细菌有而人（或其他动植物）没有”的机制进行杀伤，主要包含以下作用机理，即：抑制细菌细胞壁合成，增强细菌细胞膜通透性，干扰细菌蛋白质合成以及抑制细菌核酸复制转录。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，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。在工业上，青霉素是怎样生产的呢？
早期1瓶规格大概20万单位的青霉素
1瓶规格160万单位的青霉素注射剂
严格控制发酵条件：pH、温度、通气量、罐压、营养物质和代谢废物等；单一菌种发酵、筛选优良菌种；产物进行分离提纯；工厂化大规模生产等。
江西生物组 东东老师
学习目标：
1．概述发酵工程及其基本环节。
2．举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。
第1章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
发酵工程：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。
一、发酵工程的基本环节
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
阅读教材P22-23，思考：
1．发酵工程的基本环节有哪些？怎样选育菌种？
2．为什么要进行扩大培养？
3．菌种确定后，培养基的配方如何才能确定？
4．培养基和发酵设备要经过什么处理？为什么？
5．发酵罐内发酵需要注意哪些问题？
6．用什么手段对产品进行分离、提纯
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(T、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
一、发酵工程的基本环节——选育菌种
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
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。
优良菌种特点：选择高产菌种，使菌种发酵产物中，需要的产物多，不需要的产物少；培养基来源充足且廉价，被转化的效率高；菌种发酵产物易于分离；菌种对环境没有明显或潜在的危害；菌种遗传特性（性状优良菌种可加速发酵，缩短生产周期）和生产能力稳定。
生产柠檬酸/蛋白酶
生产啤酒
生产青霉素
黑曲霉
啤酒酵母
黄青霉
优点：经济实惠
缺点：自发突变频率低，出现优良性状可能性小，耗时长。
自然筛选
诱变育种/基因工程育种
优点：育种快、提高发酵产物纯度、减少副产物
缺点：技术高
扩大培养
工业发酵罐体积
几十 ~ 几百m3
几 ~ 几十m3
接入的菌种总体积
方法：将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养
一、发酵工程的基本环节——扩大培养
一、发酵工程的基本环节——灭菌
发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降（杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物质抑制菌种生长而使产量下降）。所以，在发酵之前必须采用高压蒸汽对大型发酵罐、培养基和通入空气的附属设备进行灭菌，对生产环境进行消毒处理。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。
一、发酵工程的基本环节——接种
将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中
接种
一、发酵工程的中心环节——发酵罐的发酵
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。
pH、通气（影响发酵产物种类）、发酵温度（影响微生物代谢途径和方向）等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。例如，谷氨酸的发酵生产在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N- 乙酰谷氨酰胺。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。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。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。
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
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。
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
一、发酵工程的基本环节——分离、提纯产物
①发酵产品是微生物细胞本身
过滤、沉淀
②发酵产品是代谢物
根据产物性质采取适当提取、分离和纯化措施
萃取、蒸馏、离子交换
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
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？
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？
4．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吗？为什么？
发酵工程的基本环节分析
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。
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。
传统发酵技术：产物一般是复杂的混合物，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。
发酵工程：使用的分离和提纯产物的方法较多。常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换，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。
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。
发酵工程的特点
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
产物专一
思考：发酵工程在食品、医药、农牧业和其他方面上的应用有哪些呢？请举例说明
本节小结
发酵工程的基本环节
发酵工程的应用
食品工业
医药工业
农牧业
其他方面
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基

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