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(共30张PPT)
1.3 发酵工程及其应用
（第1课时）
什么是发酵工程？
发酵工程的一般流程是什么？
发酵工程再生产上有哪些重要的价值？
本节聚焦
Focus In This Section
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素中提取少量青霉素，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远左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
从社会中来
From Society
选育高产菌种
配制
培养基
扩大培养
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
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、溶解氧等）
微生物特定的功能
现代化工程技术
大规模生产发酵产品
1.
发酵工程的形成
Fermentation Engineering
发酵工程
利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
微生物
自然界的微生物
诱变育种的微生物
基因重组的微生物
实质
利用微生物进行产品生产。
Fermentation Engineering
发酵工程
2.
发酵工程的概念
产品
乳酸菌→酸奶
酵母菌→啤酒、果酒
工程菌→人胰岛素
选育菌种
扩大培养
接种
灭菌
配制培养基
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和发酵罐示意图
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
① 发酵工程中菌种是关键，优良的菌种是提高发酵产物的质量和产量的
首要条件，可以加速发酵过程，缩短生产周期。
生产柠檬酸
黑曲霉
生产啤酒
啤酒酵母
生产青霉素
黄曲霉
生产味精
谷氨酸棒状杆菌
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
1.
选育菌种
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种菌种选育的重要性有什么启示？
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决定了生产发酵产品的成败。
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
1.
选育菌种
② 方法
自然选育和菌种改良
在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变，从而选育出优良菌种的过程。
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，需要时间长。
自然选育
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
1.
选育菌种
② 方法
自然选育和菌种改良
采用物理、化学、生物学方法处理目的微生物，使其遗传基因发生变化，使生物代谢途径朝着人们所希望的方向进行，使某些代谢产物过量积累，获得所需的高产、优质和低耗的菌种。
菌种改良
优点：育种时间短、提高发酵产物纯度、减少副产物。
缺点：技术要求高。
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
2.
扩大培养
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。
所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
3.
配制培养基
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。
碳源
氮源
无机盐
水
生长因子
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
4.
灭菌
发酵工程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。
青霉菌
杂菌
青霉素酶
青霉素
产生
产生
分解
培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
对通入的空气进行灭菌，对生产环境需进行消毒处理。
电动机
发酵液
冷却夹层
生物传感器
pH计
冷却水排出口
培养物或营养物质的加入口
观察孔
温度传感器和控制装置
阀门
放料管
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
搅拌叶轮
空气入口
排气管
取样管
冷却水进入口
抽取样本进行检测
调节罐压
调节罐温
控制溶解氧含量
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
搅拌叶轮
1
通过叶轮的搅拌作用，使培养基在发酵罐内得到充分的混合，尽可能使微生物在发酵罐里的每一处均能得到充足的氧气和培养基中的营养物质。
2
良好的搅拌有利于微生物发酵过程中产生的热量传递给冷却介质。
3
搅拌能使发酵液充分混合，发酵罐的发酵液中的固型物质保持悬浮状态。
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
① 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节
电动机
搅拌叶轮
发酵液
冷却夹层
生物传感器
空气入口
排气管
pH计
冷却水排出口
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
阀门
放料管
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
搅拌叶轮
生物传感器
空气入口
pH计
取样管
温度传感器和控制装置
② 发酵过程的监控
微生物数量
产物浓度
添加必需的营养组分
温度
pH
溶解氧
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
③ 严格控制发酵条件的原因
环境条件不仅影响微生物生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
谷氨酸发酵
中性
弱碱性
谷氨酸
谷氨酰胺
N-乙酰谷氨酰胺
酸性
检测
控制
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
④ 发酵过程中使用大型发酵罐均有计算机
控制系统。
还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
温度
pH
溶解氧
灌压
通气量
搅拌
泡沫
营养
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
温度控制
发酵前期
菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，采用稍高的温度，能促进菌的呼吸与代谢，使菌体生长迅速。
发酵中期
菌量已达到最适，适当降低温度，延长发酵实践，提高产量。
发酵后期
产物合成能力降低，延长发酵时间没有必要，可提高发酵温度，刺激产物释放。
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
pH控制
方法：
加入缓冲剂（磷酸盐）
直接加入酸碱
如：当pH下降时，添加尿素，既可以调节pH也可以补充氮源。
进行补料（补充营养物质）
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
5.
发酵罐内发酵
溶解氧控制
氧气供需调节的根本目的是满足微生物生长和代谢的各阶段对发酵液溶解氧浓度的需求。
溶解氧调控的主要手段：通风和搅拌
搅拌叶轮
加快O2的溶解以及散热。
空气入口
控制溶解氧含量
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
6.
分离、提纯产物
① 发酵产品是微生物细胞本身
② 发酵产品是代谢物
根据产物性质采取适当的提取、分离和纯化措施。
过滤、沉淀
发酵液
菌体
干燥
产品
发酵液
预处理
细胞分离
细胞破碎
细胞破碎分离
初步纯化
高度纯化
成品加工
胞外产物
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
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？
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。
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。
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
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。
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。
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
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。
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
练习·巩固
1. 下列关于发酵过程的说法,错误的是 (　　)
A. 培养基灭菌是发酵生产中一个很重要的环节
B. 随时检测影响发酵过程的各种环境条件,并予以控制,才能保证发酵的正
常进行
C. 在发酵过程中,要严格控制温度、pH、溶解氧、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. 发酵产品的分离方法是相同的
D
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
练习·巩固
2. 下图所示是一个发酵装置，现代发酵工程常常利用计算机系统对发酵过程中的各种指
标进行检测和控制，关于发酵过程中发酵条件的描述，不正确的是(　　)
A. 发酵过程中，由于微生物代谢产生的热量和搅拌叶轮搅拌产生的热量达到一定的数值时，可以通过温度传感器感受并控制冷却水从进水口进入
B. 冷却水从下方进入上方流出的目的是使冷却更充分
C. 在发酵过程中可能需要通过营养物质加入口加入酸或碱来调节发酵液的pH
D. 培养液要一次性全部加入，在发酵过程中不能再重新加入
D
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
练习·巩固
3. 根据发酵工程流程图及微生物相关知识，回答下列问题：
(1) 根瘤菌之所以能进行固氮作用，是因为其体内具有高等植物不具有的固氮酶，固氮基因表达的途径是_________________________________。除根瘤菌外，人们应用最多的另一类固氮微生物是圆褐固氮菌。某同学在做微生物实验时，不小心将圆褐固氮菌和酵母菌混在一起，如果要把它们分开，所用的培养基从用途上划分属于________培养基，依据的原理是圆褐固氮菌能够在___________的培养条件下生长繁殖，而酵母菌则不能。
固氮基因
转录
mRNA
翻译
固氮酶
没有氮源
选择
发酵工程的基本环节
The Basic Link Of Fermentation Engineering
练习·巩固
3. 根据发酵工程流程图及微生物相关知识，回答下列问题：
(2) 在题图所示发酵工程的流程中，生产人胰岛素的工程菌是由①技术获得的，则①是_________技术；高产青霉素菌种是通过②获得的，则②技术是____________；操作④表示________。发酵工程的产品有两类，若a代表菌体本身，则b代表的另一类是______________。
转基因
诱变育种
灭菌
微生物代谢产物

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