《1.3 發(fā)酵工程及其應(yīng)用》教學(xué)課件2

發(fā)酵工程及其應(yīng)用青霉素是世界上第一個(gè)應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學(xué)家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價(jià)格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，一瓶規(guī)格160萬(wàn)單位的青霉素注射劑的價(jià)格只1元左右。那在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？

工業(yè)上青霉素的產(chǎn)生按照發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)進(jìn)行：選育高產(chǎn)菌種擴(kuò)大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵分離提純獲得產(chǎn)品

發(fā)酵工程一般包括___________，擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制、______，接種，_______，產(chǎn)品分離、提純等方面。菌種的選育滅菌發(fā)酵1.選育菌種（1）目的：獲得_______________。性狀優(yōu)良的菌種（2）菌種來(lái)源：從自然界中篩選、__________或________________。誘變育種基因工程育種（3）實(shí)例：篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉用來(lái)生產(chǎn)檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵、縮短生產(chǎn)周期。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)某鎮(zhèn)特產(chǎn)一種美酒，以下是對(duì)該鎮(zhèn)環(huán)境的描述：四面環(huán)山，地勢(shì)低洼，氣候炎熱，具有獨(dú)特的微生物種群，因與外界的空氣對(duì)流循環(huán)較緩慢，所以微生物種群較穩(wěn)定。這對(duì)你理解發(fā)酵工程中菌種選育的重要性有何啟示？?jī)?yōu)良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，它往往還會(huì)賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨(dú)特的風(fēng)味，因此菌種選育環(huán)節(jié)在很大程度上決定了生物發(fā)酵產(chǎn)物的成敗。2.擴(kuò)大培養(yǎng)（1）目的：獲得___________。更多的菌種（2）原因：工業(yè)發(fā)酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大。所以在發(fā)酵之前需對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。3.配制培養(yǎng)基：①在菌種確定之后，要_________制備培養(yǎng)基。②在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)__________才能確定。選擇原料反復(fù)試驗(yàn)4.滅菌：發(fā)酵工程種所用的菌種大多是____________，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致_____________。單一菌種產(chǎn)量大大降低（2）________________都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌；培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備（1）滅菌原因：5.接種：將____________的菌種投放到________中。發(fā)酵罐擴(kuò)大培養(yǎng)后6.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵（1）要求：①發(fā)酵過(guò)程中，要________培養(yǎng)液中___________、_________等，以____________；②要及時(shí)添加_______________，要嚴(yán)格控制______、____和________等發(fā)酵條件。（2）嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因：—發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)隨時(shí)檢測(cè)微生物數(shù)量產(chǎn)物濃度了解發(fā)酵進(jìn)程必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溫度pH溶氧量①環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；②嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，有利于使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。（3）不同發(fā)酵條件的影響實(shí)例——谷氨酸發(fā)酵①在_____和________條件下會(huì)積累谷氨酸；②在_____條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；（4）現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)均有_______________，能對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行_____和_____，還可以進(jìn)行_________，使發(fā)酵全過(guò)程處于________。中性弱堿性酸性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制反饋控制最佳狀態(tài)7.分離、提純產(chǎn)物①發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身時(shí)，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用_____、_____等方法將菌體_____和_____；②發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物時(shí)，可________________采取______的_______、_______和_______措施來(lái)獲得產(chǎn)品；8.獲得產(chǎn)品：過(guò)濾沉淀分離干燥根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)適當(dāng)提取分離純化討論1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)，需要考慮哪些因素？①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長(zhǎng)繁殖；②生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高；③菌種不易變異，退化等；④發(fā)酵條件易控制。討論2.怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要？①反復(fù)試驗(yàn)確定培養(yǎng)基的配方；②對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌；③隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產(chǎn)物濃度等；④及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分；⑤嚴(yán)格控制溫度、pH和溶氧量等發(fā)酵條件，使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)各種條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，以及反饋控制。討論3.在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比有哪些改進(jìn)之處？

傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)獲得的產(chǎn)物一般不是單一的組分，而是成分復(fù)雜的混合物，很多時(shí)候不會(huì)再對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純處理，或者僅采用簡(jiǎn)單的沉淀、過(guò)濾等方法來(lái)分離提純產(chǎn)物。發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。在產(chǎn)物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附或離子交換等方法；在進(jìn)一步純化階段，會(huì)采用液相層析法、結(jié)晶法等方法。發(fā)酵工程產(chǎn)物無(wú)論是代謝物還是菌體本身，都需要進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后才能成為正式產(chǎn)品。討論4.在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎？為什么？不能；因?yàn)樵谶M(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。為減少或避免污染物的產(chǎn)生和排放，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對(duì)排出的氣體和廢氣培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或滅菌處理。發(fā)酵工程的優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)條件溫和；②原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉；③產(chǎn)物專(zhuān)一；④廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小和容易處理；

因此，發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品利用霉菌發(fā)酵生產(chǎn)醬油大豆中蛋白小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉淋洗調(diào)制利用釀酒酵母生產(chǎn)各種酒類(lèi)各種谷物、水果釀酒酵母各種酒類(lèi)我國(guó)是世界上啤酒的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。啤酒是以大麥為主要原料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的，其工業(yè)化生產(chǎn)流程如下圖所示。

其中發(fā)酵過(guò)程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個(gè)階段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成都在主發(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲(chǔ)存一段時(shí)間進(jìn)行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時(shí)間隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程主發(fā)酵結(jié)束不適合飲用，要進(jìn)行后發(fā)酵才成啤酒。思考·討論討論1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高？菌種的選育、對(duì)原材料的處理、發(fā)酵過(guò)程的控制，產(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。討論2.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進(jìn)行過(guò)濾和消毒處理等。有人認(rèn)為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個(gè)問(wèn)題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低和價(jià)格高，卻依然有著市場(chǎng)需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？應(yīng)該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類(lèi)產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)，能夠滿足一些人對(duì)獨(dú)特口感的需求，或者滿足一些人的時(shí)尚追求。另一方面，這類(lèi)產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價(jià)格昂貴的問(wèn)題。增加食物的營(yíng)養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長(zhǎng)食品的保存期。（2）生產(chǎn)食品添加劑①食品添加劑的作用：

檸檬酸是一種食品酸度調(diào)節(jié)劑；可通過(guò)黑曲霉的發(fā)酵制得；

味精是由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸后經(jīng)過(guò)一系列處理制成。②實(shí)例（3）生產(chǎn)酶制劑①常見(jiàn)酶制劑α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶②酶制劑應(yīng)用食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等。③酶制劑來(lái)源少數(shù)由動(dòng)植物生產(chǎn)絕大多數(shù)通過(guò)發(fā)酵工程生產(chǎn)2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用（1）直接對(duì)菌種進(jìn)行改造，再通過(guò)發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。如青霉素高產(chǎn)菌株的培育。（2）采用基因工程將植物或動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具某種藥物生產(chǎn)能力的微生物。①基因改造的微生物生產(chǎn)生長(zhǎng)激素釋放抑制激素；③基因工程改造的微生物生產(chǎn)疫苗。如某種乙肝疫苗的生產(chǎn)。②利用微生物生產(chǎn)過(guò)去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物；3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用（1）生產(chǎn)微生物肥料①微生物肥料的種類(lèi)：根瘤菌肥、固氮菌肥②微生物肥料的作用：

微生物肥料利用了微生物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的________、______________等來(lái)增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長(zhǎng)。微生物肥料可以抑制____________________的生長(zhǎng)，從而減少病害的發(fā)生。有機(jī)酸生物活性物質(zhì)土壤中病原微生物（2）生產(chǎn)微生物農(nóng)藥①微生物農(nóng)藥的作用機(jī)理：利用_________或___________來(lái)防治病蟲(chóng)害。②防治類(lèi)型：生物防治微生物其代謝物③實(shí)例：防治80多種農(nóng)林蟲(chóng)害防治玉米螟、松毛蟲(chóng)等蟲(chóng)害防治水稻枯紋?。?）生產(chǎn)微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，且繁殖速度快。②實(shí)例1——單細(xì)胞蛋白

以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，以發(fā)酵獲得大量的____________，即單細(xì)胞蛋白，并用它制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。微生物菌體③實(shí)例2-乳酸菌在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質(zhì)，使飼料保鮮，動(dòng)物食用后還能提高免疫力。4.在其他方面的應(yīng)用（1）解決資源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)。（2）將極端微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐

自然界中的極端微生物能在極端惡劣的環(huán)境中（高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）正常生活。①極端微生物：②舉例：嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來(lái)生產(chǎn)洗滌劑嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量（1）發(fā)酵工程利用的菌種都是從自然界中篩選出來(lái)的。

（）（2）發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是選育菌種。

（）（3）發(fā)酵工程中要對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌，發(fā)酵設(shè)備不用滅菌。

（）（4）利用微生物農(nóng)藥防治農(nóng)林蟲(chóng)害屬于化學(xué)防治。

（）（5）微生物飼料主要是利用發(fā)酵工程生產(chǎn)的微生物的菌體。

（）1.判斷對(duì)錯(cuò)××××√課堂練習(xí)2.關(guān)于發(fā)酵工程應(yīng)用的說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.發(fā)酵工程的產(chǎn)品可以是微生物的代謝產(chǎn)物B.通過(guò)發(fā)酵工程可以從微生物中提取一些酶C.通過(guò)發(fā)酵工程可以從微生物中提取單細(xì)胞蛋白D.發(fā)酵工程的產(chǎn)品可以是微生物的菌體C3.關(guān)于發(fā)酵工程說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.依賴(lài)微生物純培養(yǎng)技術(shù)的建立B.發(fā)酵設(shè)備都是密封的C.食品、醫(yī)藥工業(yè)離不開(kāi)發(fā)酵工程D.發(fā)酵工程與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有密切關(guān)系B4.關(guān)于發(fā)酵工程的菌種說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.發(fā)酵工程的菌種可以從自然界中篩選出來(lái)B.發(fā)酵工程可以利用原材料中含有的菌種C.發(fā)酵工程的菌種可以來(lái)自基因工程D.發(fā)酵工程的菌種可以來(lái)自誘變育種B5.關(guān)于啤酒生產(chǎn)的流程說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.讓大麥種子發(fā)芽的目的是釋放淀粉酶B.焙烤發(fā)芽的大麥種子時(shí)，淀粉酶喪失活性C.糖化的目的是讓淀粉分解D.蒸煮時(shí)終止了酶的作用，并對(duì)糖漿進(jìn)行滅菌B6．某高校采用如圖所示的發(fā)酵罐進(jìn)行葡萄酒主發(fā)酵過(guò)程的研究，下列敘述錯(cuò)誤的是（）A.夏季生產(chǎn)果酒時(shí)，常需對(duì)罐體進(jìn)行降溫處理B.乙醇為揮發(fā)性物質(zhì)，故發(fā)酵過(guò)程中空氣的進(jìn)氣量不宜太大C.正常發(fā)酵過(guò)程中罐內(nèi)的壓力不會(huì)低于大氣壓D.可以通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)程中殘余糖的濃度來(lái)決定何時(shí)終止發(fā)酵B7.發(fā)酵工程在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用，其生產(chǎn)流程如下圖所示。結(jié)合賴(lài)氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)實(shí)際，回答相關(guān)問(wèn)題。（1）圖中①表示的育種方法是_____________