資源簡(jiǎn)介

(共26張PPT)
青霉素
是世界上第一個(gè)應(yīng)用于臨床的抗生素。
你知道青霉素的歷史嗎？
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。
早期1瓶規(guī)格大概20萬(wàn)單位的青霉素最高賣(mài)到
一根金條
如今1瓶規(guī)格160萬(wàn)單位的青霉素注射劑
一元
？
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1.3
發(fā)酵工程及其應(yīng)用
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一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)（P22）
1.發(fā)酵工程
（1）概念：
發(fā)酵工程是指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類(lèi)生產(chǎn)產(chǎn)品。
（2）基本環(huán)節(jié)：
生產(chǎn)檸檬酸
生產(chǎn)啤酒
生產(chǎn)味精
黑曲霉
啤酒酵母
谷氨酸
棒狀桿菌
選育菌種
性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來(lái)，也可以通過(guò)誘變育種或基因工程育種獲得。
選育菌種
擴(kuò)大培養(yǎng)
工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發(fā)酵之前還需要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。
1間教室如果長(zhǎng)為8米，寬為6米，高有4米，概有192立方米。
選育菌種
配制培養(yǎng)基
擴(kuò)大培養(yǎng)
在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定。
發(fā)酵培養(yǎng)基要求菌種能大量生產(chǎn)目的產(chǎn)物，所用原料廉價(jià)且易于獲得。
選育菌種
配制培養(yǎng)基
擴(kuò)大培養(yǎng)
滅菌
發(fā)酵工程中所用的菌種大多數(shù)是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌。
發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一菌種，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中不能混入雜菌，這是為什么？那如何防止雜菌的污染？
提示：在發(fā)酵過(guò)程中如果混入其他微生物，將與菌種形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)發(fā)酵過(guò)程造成不良影響；要在發(fā)酵前對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌處理。
現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用
P17
接種
選育菌種
配制培養(yǎng)基
擴(kuò)大培養(yǎng)
滅菌
發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵
這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過(guò)程中，
要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。
還要及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)成分。
要嚴(yán)格控制溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件。
現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的大型發(fā)酵罐均有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；還可以進(jìn)行反饋控制，使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。
環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，而且會(huì)影響微生物代謝物的形成。例如，谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)：在中性和弱堿性條件下會(huì)積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
接種
選育菌種
配制培養(yǎng)基
擴(kuò)大培養(yǎng)
滅菌
發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵
分離、提純產(chǎn)物
獲得產(chǎn)品
接種
選育菌種
配制培養(yǎng)基
擴(kuò)大培養(yǎng)
滅菌
發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵
分離、提純產(chǎn)物
獲得產(chǎn)品
如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用過(guò)濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施來(lái)獲得產(chǎn)品。
Q1：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？
需要考慮的因素包括：在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長(zhǎng)繁殖；生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高；發(fā)酵條件容易控制；菌種不易變異、退化等。
Q2：怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿(mǎn)足微生物的生長(zhǎng)需要？
要對(duì)溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其最適合微生物的生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)及時(shí)添加必要的營(yíng)養(yǎng)組分。
Q3：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)分離和提純。
發(fā)酵工程：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、吸附和離子交換等方法
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。
Q4：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)。為了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)排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或滅菌處理。
一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)（P22）
1.發(fā)酵工程
（3）特點(diǎn)：
生產(chǎn)條件溫和
原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉
廢棄物對(duì)環(huán)境污染小且容易處理
產(chǎn)物專(zhuān)一
發(fā)酵工程這么好在我們生活中有哪些應(yīng)用呢？
一、發(fā)酵工程的應(yīng)用（P24）
1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用
生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如醬油、各種酒類(lèi)等
大豆中蛋白
小分子肽和氨基酸
醬油
黑曲霉
淋洗、調(diào)制
各種谷物、水果
釀酒酵母
各種酒類(lèi)
啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程
啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程
啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程
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。
1.3 傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)
探究·實(shí)踐：啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程（P24）
發(fā)芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
發(fā)酵
主發(fā)酵
消毒
終止
后發(fā)酵
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。
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。
啤酒的工業(yè)化流程
加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活
產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的作用對(duì)糖漿滅菌
一、發(fā)酵工程的應(yīng)用（P24）
1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用
生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑，如食品酸度調(diào)節(jié)劑——檸檬酸，增味劑——谷氨酸鈉等。
生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如醬油、各種酒類(lèi)等
添加劑類(lèi)型 舉例
酸度調(diào)節(jié)劑 L-蘋(píng)果酸、檸檬酸、乳酸
增味劑 5'-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉
著色劑 β-胡蘿卜素、紅曲黃色素
增稠劑 黃原膠、β-環(huán)狀糊精、結(jié)冷膠
防腐劑 乳酸鏈球菌素、溶菌酶
生產(chǎn)酶制劑，如淀粉酶、果膠酶等。
一、發(fā)酵工程的應(yīng)用（P24）
2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用
將植物或動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物
通過(guò)發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品
直接對(duì)菌種
進(jìn)行改造
基因工程
將病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物作為疫苗
可能用微生物來(lái)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
未來(lái)
一、發(fā)酵工程的應(yīng)用（P24）
3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用
生產(chǎn)微生物農(nóng)藥
生產(chǎn)微生物肥料
生產(chǎn)微生物飼料
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)。
有機(jī)酸
生物活性物質(zhì)
微生物農(nóng)藥是利用　　　或 　　　 來(lái)防治病蟲(chóng)害的。
微生物農(nóng)藥作為　　　　的重要手段
微生物
其代謝物
生物防治
微生物含有豐富的　　 。
蛋白質(zhì)
微生物或代謝產(chǎn)物 防治病蟲(chóng)害種類(lèi)
蘇云金桿菌 80多種農(nóng)林害蟲(chóng)
白僵菌 玉米螟、松毛蟲(chóng)
一種放線(xiàn)菌產(chǎn)生的抗生素 （井岡霉素） 水稻枯紋病
以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過(guò)發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細(xì)胞蛋白，用單細(xì)胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。
一、發(fā)酵工程的應(yīng)用（P24）
4.其他方面
對(duì)極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環(huán)境）的利用
解決資源短缺和環(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)
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。
發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在助力解決
和　　 等方面的重大問(wèn)題上，作出了越來(lái)越大的貢獻(xiàn)。
糧食、環(huán)境、健康
能源
課堂總結(jié)
（1）在食品工業(yè)上的應(yīng)用
①生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品
②生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑
③生產(chǎn)酶制劑
（2）在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用
①生產(chǎn)抗生素
②生產(chǎn)多種氨基酸
③生產(chǎn)激素：
④生產(chǎn)免疫調(diào)節(jié)劑：
（3）在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用
①生產(chǎn)微生物肥料
②生產(chǎn)微生物農(nóng)藥
③生產(chǎn)微生物飼料
（4）在其他方面的應(yīng)用
一、概念檢測(cè)
1.與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比，發(fā)酵工程的產(chǎn)品種類(lèi)更加豐富，產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高。判斷下列相關(guān)表述是否正確。
（1）發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)最大的區(qū)別就是前者可以利用微生物來(lái)進(jìn)行發(fā)酵。 （ ）
（2）發(fā)酵工程的產(chǎn)品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。 （ ）
（3）在發(fā)酵工程的發(fā)酵環(huán)節(jié)，發(fā)酵條件變化不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖,也會(huì)影響微生物的代謝途徑。（ ）
（4）通過(guò)發(fā)酵工程可以從微生物細(xì)胞中提取單細(xì)胞蛋白。
（ ）
練習(xí)與應(yīng)用




二、拓展應(yīng)用
1.在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，人們遇到了兩個(gè)問(wèn)題。
（1）青霉素發(fā)酵是高耗氧過(guò)程，如何能夠保證在發(fā)酵過(guò)程中給微生物持續(xù)高效地供氧呢？（提示:血紅蛋白具有攜帶O2的能力）
可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉(zhuǎn)入青霉素生產(chǎn)菌來(lái)提高菌體對(duì)氧的吸收和利用率。
（2）在發(fā)酵過(guò)程中，總有頭孢霉素產(chǎn)生。人們通過(guò)對(duì)青霉素生產(chǎn)菌代謝途徑的研究發(fā)現(xiàn)，在青霉素與頭孢霉素的合成過(guò)程中，它們有一個(gè)共同的前體，這個(gè)前體經(jīng)過(guò)兩種不同酶的作用分別合成兩個(gè)產(chǎn)物。如何改造青霉素生產(chǎn)菌使其只生產(chǎn)生青霉素，或者只產(chǎn)生頭孢霉素呢？
可以對(duì)兩種酶的基因進(jìn)行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產(chǎn)菌只生產(chǎn)一種產(chǎn)物。
練習(xí)與應(yīng)用

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