资源简介

(共32张PPT)
1.3 发酵工程及其应用
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。
在工业上，青霉素是怎样生产的呢？
问
答
发酵工程
2.发酵工程的定义？
问
微生物纯培养技术的建立
密闭式发酵罐的设计成功
发酵工程
1.发酵工程是如何形成的？
问
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。
方法
技术手段
主要为微生物细胞本身或其代谢产物
涉及方面
让我们进入下面的学习！！！
发 酵 工 程 的 基 本 环 节
The basic link of fermentation engineering
（一）发酵工程的基本环节
配置培养基
选育菌种
扩大培养
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
选育菌种
1.菌种来源：
从自然界中筛选
诱变育种
基因工程育种
2.举例：
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
【思考 讨论】
某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？
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。
扩大培养
1.目的：
2.原因：
获得更多的菌种
工业发酵罐的体积一般为几十立方米到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。
怎样扩大培养？
问
答
将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。
配置培养基
1.类型：
2.注意事项：
①根据菌种的代谢类型，选择合适的原料配制培养基。
②配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。
发酵工程一般使用液体培养基。
灭菌
1.对象：
2.原因：
培养基和发酵设备
发酵工程种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。
接种
将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
发酵罐内发酵
—发酵工程的中心环节
1.三大要求：
①要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等以了解发酵进程。
②要及时添加必需的营养组分。
③要严格控制发酵温度、pH、溶解氧等发酵条件。
发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？
问
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。
例如：（谷氨酸的发酵生产）
中性和弱碱性条件会积累谷氨酸；
酸性条件会形成古氨酰胺和N-乙酰古氨酰胺
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
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
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
阀门
放料管
抽取样本进行检测
调节罐温
（放气）调节罐压
使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热
控制溶解氧
（1）温度：通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整。
（2）溶解氧：通过通气量和搅拌速度加以调节。
（3）pH：通过加料装置添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液。
现代发酵工程使用的发酵罐的优点
计算机控制系统
温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等
监测控制
反馈控制
使发酵全过程处于最佳状态
分离、提纯产物
发酵产品
微生物细胞本身
过滤、沉淀等方法
代谢物
适当的提取、分离和纯化措施
获得产品
啤酒
味精
【思考 讨论】
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发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
①反复试验确定培养基的配方；
②对培养基和发酵设备灭菌；
③用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制，以及反馈控制；
④严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。
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.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？
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。
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。
沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换 液相层析法、结晶法
质量检查 合格后才能成为正式产品
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。为了减少或避免污染物的产生和排放要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。
发 酵 工 程 的 应 用
Application of fermentation engineering
（二）发酵工程的应用
1.发酵工程的特点有哪些？
问
（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
（5）容易处理
2.发酵工程的应用有哪些？
问
（1）食品工业
（2）医药工业
（3）农牧业
（4）其他方面
1.食品工业上的应用
微生物最早开发和应用的领域
1.生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
实例1：生产酱油
实例2：酿酒
大豆
小分子肽和氨基酸
酱油
霉菌产生蛋白酶
淋洗调制
谷物、水果
酒精+CO2
酵母菌
无氧条件
各种酒类
【思考 讨论】
啤酒的工业化流程
主发酵：完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
后发酵：主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。
2.生产各种各样的食品添加剂
作用：增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。
实例1：柠檬酸
实例2：味精
淀粉
黑曲霉
葡萄糖
柠檬酸
柠檬酸合成酶
淀粉 酶
谷氨酸
棒状杆菌
谷氨酸
味精
发酵
氧气
处理
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
常用的几类食品添加剂
3.生产酶制剂
（1）概念：
从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
（2）来源：
少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。
（3）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方面。
（4）产品：
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。
2.医药工业上的应用
青霉素的发现和产业化生产之后，发酵工程逐步扩展到其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂的等生产领域。
基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。
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。
例如：利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素；
利用基因工程改造的微生物生产疫苗。
病原体的
抗原基因
转入
微生物
发酵工程
疫苗
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：青霉素高产菌株的培育
直接改造微生物
发酵工程
青霉素
3.未来还可能利用微生物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。
紫杉醇：具有高抗癌活性，现已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。
3.农牧业上的应用
1.生产微生物肥料
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。
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。
例如：利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥。
2.生产微生物农药
利用微生物或其代谢物来繁殖病虫害。
实例：
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
井冈霉素 一种放线菌产生的抗生素 水稻枯纹病
防治类型：
生物防治
3.生产微生物饲料
微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。
例：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。
成分：不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
应用：食品添加剂、微生物饲料。
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
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。
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。
4.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。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。
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。( )
×
×
√
√
3.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
（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
（4）将目的菌用于环境保护实践时，还有哪些问题需要解决
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。这是基因工程的基本思路。

展开更多......

收起↑