3.(1)发酵工程及其应用课件高二下学期生物人教版选择性必修3

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D1C3B3C2D2B4A4A2A3A1B1B2B5C1装置编号主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、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.⑤⑦②③⑥①④C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③①B2.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