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发酵工程简介 1 发酵工程的内容 发酵工程主要包括了菌种的选育 培养基的配制 灭菌 扩大培养和接种 发酵过程和产品的分离提纯等内容 2 发酵工程的流程 从自然界分离的菌种 诱变育种 基因工程 细胞工程 生产用菌种 扩大培养 接种 原料 培养基的配制 灭菌 微生物菌体 代谢产物 产品 3 1 菌种的选育 发酵工程的内容 基因突变 基因工程 细胞工程 人们怎样才能得到优良的菌种呢 发酵工程是利用微生物为人类生产有用产品 因此要想通过发酵工程获得在种类 产量和质量等方面符合人们要求的产品 最重要的是要有优良的菌种 4 如果生产的是微生物直接合成的产物 如青霉素 谷氨酸等 则可以从自然界中先分离出相应的菌种 再用物理或化学的方法使菌种产生突变 从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种 例如 可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒结合 形成重组DNA 再把重组DNA导入大肠杆菌细胞内形成工程菌 通过筛选则可培养出能生产人的胰岛素的菌种 如果生产的是一般微生物不能合成的产品 则可用基因工程 细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造 以构建工程细胞或工程菌 从而达到生产相应产品的目的 5 2 培养基的配制 发酵工程的内容 要进行发酵生产 有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基 在配制培养基时应该注意哪些事情呢 6 根据不同的菌种 应选择不同的材料配制培养基 配制的培养基应满足微生物在碳源 氮源 生长因子 水 无机盐等方面的营养要求 并为微生物提供适宜的pH 培养基的营养要协调 以利于产物的合成 培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本 以得到更高的经济效益 例如 发酵生产常采用天然成分的液体培养基 而且 经常用野生的植物淀粉 甘蔗渣 秸秆水解物以及乙醇 醋酸等石化产品代替粮食来配制培养基 7 3 灭菌 发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种 整个发酵过程中不能混入杂菌 这是为什么呢 在发酵过程中如混入其他微生物 将与菌种形成竞争关系 对发酵过程造成不良影响 例如 如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌 则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡 如果在青霉素生产过程中污染了杂菌 这些杂菌则会分泌青霉素酶 将合成的青霉素分解掉 8 那如何防止杂菌的污染呢 要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理 怎样才算灭菌彻底呢 用高温 高压等方式 杀死所有杂菌的胞体 芽孢和孢子 9 4 扩大培养和接种 工业发酵要想在较短的时间内得到大量的发酵产物 这无疑需要大量的菌体 如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期呢 这就需要经过多次的扩大培养 如何对菌种进行扩大培养呢 10 扩大培养是将培养到对数期的菌体分开 分头进行培养 以促使菌体数量快速增加 能在短时间里得到大量的菌体 11 扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢 扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖 而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物 目的不同采用的培养条件就有可能不同 例如 在酒精发酵过程中 扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖 因此是在有氧条件下进行 而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精 12 有了用于生产的充足的菌体 在接种时要注意什么事项呢 接种过程中要注意防止杂菌污染 整个接种过程必须无菌条件下操作 13 发酵过程 将菌体接种到装有培养液的发酵罐中 是不是发酵生产就能顺利地进行呢 还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制 这又是为什么呢 发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生 因此 要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目 产物浓度以了解发酵进程 及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间 以得到更多的发酵产物 同时 还应对发酵条件进行严格控制 14 哪些条件能影响菌体的发酵呢 结论 发酵生产中温度 pH 溶氧量等对发酵过程有重大影响 15 发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢 因素 pH 氧 代谢途经 影响谷氨酸代谢途径的因素 16 发酵过程中氧的溶量 pH 磷酸盐等都能影响谷氨酸代谢途径 从而影响代谢产物的合成 同时 随着代谢的进行 产热的增加 某营养物质的消耗 以及某些酸性和碱性物质的产生 会使温度 pH等发生变化 这些都会对微生物的生长造成不利影响 因此 需要对发酵过程的中温度 pH 溶氧量等发酵条件进行严格的控制 以保证菌体生长和代谢途径朝着有利人类的方向进行 从表中可以看出 17 分离 提纯 分离 提纯的方法 分离提纯后的产品 还要经过质量检查合格后 才能成为正式产品 产品的分类 菌体本身 如谷氨酸 酒精等 代谢产物 如酵母菌和细菌等 过滤 沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来 可采用蒸馏 萃取 离子交换等方法进行提取 18 菌种选育 一般有诱变育种 基因工程和细胞工程等 培养基配制 灭菌 包括设备灭菌和培养基灭菌 扩大培养和接种 发酵过程 随时了解发酵进程 及时添加必需的培养基组分 严格控制温度 pH 溶氧 通气量与转速等发酵条件 扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢 扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖 而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物 目的不同采用的培养条件就有可能不同 例如 在酒精发酵过程中 扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖 因此是在有氧条件下进行 而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精 发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种 整个发酵过程中不能混入杂菌 这是为什么呢 在发酵过程中如混入其他微生物 将与菌种形成竞争关系 对发酵过程造成不良影响 例如 如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌 则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡 如果在青霉素生产过程中污染了杂菌 这些杂菌则会分泌青霉素酶 将合成的青霉素分解掉 19 影响发酵过程的因素 1 温度温度能影响酶的活性 也能影响生物合成的途径 温度还会影响发酵液的物理性质 以及菌种对营养物质的分解吸收等 2 pHpH能够影响酶的活性 以及细胞膜的带电荷状况 还会影响培养基中营养物质的分解等 3 溶解氧在发酵过程中菌种只能利用溶解氧 因此 必须向发酵液中连续补充大量的氧 并要不断地进行搅拌 以提高氧在发酵液中的溶解度 4 泡沫发酵过程中 通气 搅拌 微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等 都有可能产生泡沫 过多的持久性泡沫对发酵是不利的 5 营养物质的浓度发酵液中各种营养物质的浓度 特别是碳氮比 无机盐和维生素的浓度 会直接影响菌体的