資源簡介

(共36張PPT)
青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素，早期只能從青霉菌中提取少量青霉素，價格貴如金。
隨著發酵技術的發展，如今一瓶規格160萬單位的青霉素注射劑價格只要一元左右。
？今天用于治療細菌感染的青霉素是怎樣生產的？
通過發酵工程生產
從社會中來
第3節 發酵工程及其應用
對發酵原理的認識
微生物純培養技術的建立
密閉式發酵罐的成功設計
嚴格控制環境條件(溫度、pH、
溶解氧壓強、營養物、泡沫等)
大規模生產發酵產品
微生物的特定功能
現代工程技術
一 發酵工程的產生
是指利用微生物的特定功能，規模化生產人類所需產品的綜合性生物工程。
2 發酵工程
1 發酵工程形成的前提條件
選育高產菌種
擴大培養
配制培養基
滅菌
接種
發酵罐內發酵
分離、提純產物
獲得產品
二 發酵工程的基本環節
(1)目的：
獲得__________________
性狀優良的菌種
（2)菌種來源：
（3)實例：
①自然界篩選
②誘變育種
③基因工程育種
（常規菌）
（工程菌）
產檸檬酸量高的黑曲霉
基因工程改造的啤酒酵母
篩選產酸量高的 用來生產檸檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發酵、縮短生產周期；
黑曲霉
發酵工程中所用的菌種大多是單一菌種
1選育菌種
發酵工程與傳統發酵技術最大的區別
(1)目的：
獲得_______________
更多的菌種
(2)原因：
工業發酵罐的體積大，需要接入的菌種多
(1)在生產實踐中，培養基的配方要經過___________才能確定。
反復試驗
(1)原因：
①雜菌與菌種之間形成 關系使產量下降
②雜菌產生的 抑制菌種的生長使產量下降。
（2)對象：________和___________；
發酵設備
3配制培養基
4滅菌
培養基
種間競爭
代謝物
在青霉素生產過程中如果被雜菌污染了，雜菌分泌青霉素酶將青霉素分解掉。
(2)類型： 。
液體培養基
2 擴大培養
(3)培養基類型:液體培養基
將_____________的菌種投放到 中
發酵罐
擴大培養后
—發酵工程的中心環節
5接種
6發酵罐內發酵
谷氨酸的發酵生產，在中性和弱堿性條件下會積累 ；
在酸性條件下則容易生成 和 ；
谷氨酸
谷氨酰胺
N-乙酰谷胺酰胺
操作 目的（原因）
隨時檢測培養液中微生物數量、產物濃度 了解發酵進程
及時添加必需的營養成分 確保發酵過程高效和穩定
嚴格控制溫度、pH、溶氧量等發酵條件 環境條件會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物代謝物的形成
(1)相關操作及目的(原因)
培養物或營養物質的加入口
觀察孔
取樣管
溫度傳感器及控制裝置
冷卻水進入口
閥門
空氣入口
放料管
生物傳感器裝置
攪拌葉輪
發酵液
冷卻夾層
冷卻水排出口
pH計
排氣管
電動機
抽取樣本進行檢測
調節罐溫
調節罐壓
控制溶解氧含量
不斷攪拌的目的：
①增加培養液中的溶解氧
②使菌種與培養液充分接觸，提高原料的利用率；
③有助于充分散熱；
(2)發酵條件及相應的調節和控制方法：
(3)現代發酵工程使用的發酵罐的優點：
均有 ，
能對發酵過程中的溫度、pH、溶氧量、
罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等
進行 和 ，
還可以進行 ，
使發酵全過程處于 。
計算機控制系統
監測
控制
反饋控制
最佳狀態
7分離、提純產物
發酵產物類型 獲得產品的方法
過濾、沉淀等方法
適當的提取、分離和純化措施
分離、提純產物的方法措施：
微生物細胞
代謝物
8獲得產品
醬油
味精
啤酒
青霉素
根瘤菌
要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品
能否通過一般的過濾、沉淀等方法將氨基酸從培養液中分離提取出來
判斷
不能，氨基酸是小分子物質。
吸附法：利用吸附劑在一定的pH下，使發酵液中的產物吸附在固體吸附劑上，然后改變pH，通過洗脫劑使之解吸下來。
沉淀法：通過改變條件或加入某種沉淀劑，使發酵液中的目的產物生成不溶性顆粒而沉淀析出的過程。
萃取法：將溶劑加入到發酵罐中，根據發酵液中不同組分在溶劑中溶解度不同，將所需代謝產物分離出來。
離子交換法：根據發酵產物的酸堿度、極性和分子大小的差異而進行分離純化。
膜分離法：利用膜材料的選擇透過性進行分離的一種方法，包括微濾、超濾、納濾和反滲透等。
層析法：基于物質在兩相（固定相和流動相）間的分配系數差異進行分離的技術，包括吸附層析、分配層析、凝膠過濾層析和親和層析等。
濃縮法：通過蒸發、冷凍、反滲透等方式去除發酵液中的水分或其他溶劑，以提高產物濃度。
結晶法：通過控制溫度、壓力和溶劑濃度等條件，使發酵液中的產物從溶液中析出形成固體晶體的過程。
干燥法：除去發酵產物中水分或其他溶劑的過程，包括曬干、風干、烘干、噴霧干燥和冷凍干燥等。
蒸餾法：利用混合物中各組分沸點的不同，通過加熱使其汽化后再冷凝的方式進行分離。
小資料 發酵產品的提取方法
思考 討論 發酵工程基本環節分析 p23
1.微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？
在低成本的培養基上能迅速生長繁殖
生產所需代謝物的產量高
菌種不易變異、退化等
容易控制；
2.在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界
環境中嗎？
不能。發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。要進行二次清潔或滅菌處理后才能排放。
②產物方面：
④發酵條件：
③菌體方面：
①培養方面：
項目 發酵工程 傳統發酵技術
菌種
對發酵條件的控制
產品處理
生產規模和產品
分離和提純產物的方法較多。最后需要進行質量檢查
不會再對產物進行分離和提純處理，或僅采用簡單沉淀、過濾等方法來分離和提純產物。
大多是單一菌種
原材料中天然存在的混合菌種
嚴格無菌操作，通過現代工程技術對發酵條件精確地控制，使發酵條件處于最佳狀態
不是無菌操作，容易受到雜菌污染，對發酵條件不能嚴格控制，易受外界條件影響
生產規模大，實現了工業化生產。原料來源豐富，成本低，產物多樣，產量高
通常是家庭式或作坊式的，產量低，生產往往受季節和原料限制，產品風味品種比較單一，質量不穩定
3.發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？
產物專一
生產條件溫和
原料來源豐富且價格低廉
廢棄物對環境污染小且容易處理
發酵工程的特點
在食品工業上的應用
在醫藥工業上的應用
在農牧業上的應用
在其他方面的應用
發酵工程的應用
三 發酵工程的應用
1在食品工業上的應用
（1）生產傳統的發酵產品
實例1：工業生產醬油
實例2：工業生產酒類
大豆蛋白質
小分子肽
和氨基酸
醬油
谷物、水果
酒精+CO2
霉菌產生
蛋白酶
酵母菌
無氧條件
淋洗調制
各種酒類
各種酒類
啤酒的工業化生產流程
發芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
發酵
主發酵
冷卻
大麥種子發芽，釋放淀粉酶。
加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活。
將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉。
淀粉分解，形成糖漿。
產生風味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌。
酵母菌將糖轉化為酒精和CO2
殺死啤酒中的大多數微生物，延長它的保存期。
消毒
終止
后發酵
過濾
過濾、調節、分裝啤酒進行出售。
啤酒的工業化生產流程
大部分糖的分解、酵母菌的繁殖和代謝物的生成
低溫、密閉的環境下儲存一段時間
終止麥芽生長，減少有機物消耗，保留營養物質；
便于糖化
【討論1】啤酒發酵的過程及內容：
過程 內容
主發酵
后發酵
【討論2】啤酒花的作用：
①使啤酒具有清爽的芳香氣、苦味和防腐力。
②形成啤酒優良的泡沫。
③有利于麥芽汁的澄清。
④平衡麥芽汁的自然甜度并激發食欲。
酵母菌的繁殖、糖的分解、代謝物的生成
低溫、密閉環境下儲存
【討論3】現在市面上流行一種“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、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀” 啤酒是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何辯證地看待大規模生產與小規模制作？
類別 “精釀”啤酒 “工業”啤酒
原料
是否添加食品添加劑
麥芽汁濃度
發酵時間
特點
只使用麥芽、啤酒花、酵母菌和水
麥芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
較高，口味濃郁
較低，口味清淡
長，可達2個月
短，通常7天左右
品質不穩定、產量低、價格高
產量高、價格低
（2)生產食品添加劑
①食品添加劑的作用：
增加食品的營養
改善食品的口味、色澤和品質
延長食品的保存期
食品添加劑 ≠ 違法添加物
添加劑的類型 舉例
酸度調節劑
增味劑
著色劑
增稠劑
防腐劑
②常用的幾類食品添加劑
L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸
5’-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉
β-胡蘿卜素、紅曲黃色素
黃原膠、β-環狀糊精、結冷膠
乳酸鏈球菌素、溶菌酶
淀粉
黑曲霉
葡萄糖
檸檬酸
谷氨酸
棒狀桿菌
谷氨酸
味精
檸檬酸合成酶
發酵
氧氣
處理
淀粉酶
實例1：工業生產檸檬酸
實例2：工業生產味精
③實例
食品酸度調節劑
（3)生產酶制劑
概念：
從生物體中提取的具有酶特性的一類化學物質。
來源：
少數由動植物生產外，
大多數通過發酵工程生產
應用：
用于食品的直接生產、改進生產工藝、簡化生產過程、改善產品的品質和口味、延長食品儲存期和提高產量等。
產品：
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
2在醫藥工業上的應用
生產抗生素
例如應用青霉菌生產青霉素，用于治療腦膜炎、肺炎等。
生產多種氨基酸
例如精氨酸可以治療高氨血癥（尿素合成障礙
導致血氨濃度升高）等疾病。
生產激素
利用工程菌生產生長激素釋放抑制激素，用于肢端肥大癥的治療。
生產疫苗
利用工程菌生產乙肝疫苗
(1)產品舉例
動植物的基因
微生物
直接改造微生物
轉入
微生物
病原體的
抗原基因
轉入
發酵
工程
藥物
藥物
疫苗
各種抗生素
多種氨基酸
多種激素
多種免疫調節劑
(2)發酵工程生產的藥物的方法：與基因工程、蛋白質工程相結合
重組乙型肝炎疫苗
3在農牧業上的應用(活菌或代謝物）
(1)生產微生物肥料
①種類：
根瘤菌肥、固氮菌肥等
②作用原理：
利用微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長。
抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發生。
①作用機理：
利用微生物或其代謝物來防治病蟲害
生物防治
微生物或代謝產物 防治病蟲害種類
(2)生產微生物農藥
蘇云金桿菌(Bt毒蛋白)
80多種農林害蟲
白僵菌(真菌)
玉米螟、松毛蟲
一種放線菌產生的抗生素（井岡霉素）
水稻枯紋病
②常見類型
(3)生產微生物飼料
①原理：
微生物含有豐富的蛋白質，且繁殖速度快
實例1——單細胞蛋白
以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，
通過發酵獲得了大量的微生物菌體，即單細胞蛋白；
應用：
生產過程：
食品添加劑、微生物飼料；
成分：
含有豐富的蛋白質、糖類、脂質和維生素等物質
實例2-乳酸菌
在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。
②常見微生物飼料：
4 在其他方面的應用
(1)解決資源短缺與環境污染問題
利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質已取得成功。
(2)將極端微生物應用于生產實踐
①極端微生物：自然界中還存在著一定數量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環境）中正常生活。
②應用舉例：
嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑；
嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量。
發酵工程正滲透到幾乎所有的工農業領域，在助力解決糧食、環境、健康和能源等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。
1.與傳統發酵技術相比，發酵工程的產品種類更加豐富，產量和質量明顯提高。判斷下列相關表述是否正確。
(1)發酵工程與傳統發酵技術最大的區別就是前者可以利用微生物來進行發酵（ ）
(2)發酵工程的產品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。（ ）
(3)在發酵工程的發酵環節中,發酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖,也會影響微生物的代謝途徑。（ ）
(4)通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。（ ）
×
√
√
×
一、概念檢測
練習與應用
1.在青霉素的發酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發揮想象力，提出解決這些問題的思路。
(1)青霉素發酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發酵過程中給微生物持續高效地供氧呢？(提示:血紅蛋白具有攜帶O2的能力)
可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉入青霉素生產菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。
(2)在發酵過程中，總有頭孢霉素產生。人們通過對青霉素生產菌代謝途徑的研究發現，在青霉素與頭孢霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經過兩種不同酶的作用分別合成兩個產物。如何改造青霉素生產菌使其只生產生青霉素，或者只產生頭孢霉素呢？
可以對兩種酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產菌只生產一種產物。
二、拓展應用
2.通過微生物發酵，可以將糧食(如玉米、小麥等)及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我國多地廣泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的環保性令人稱道。調查顯示，使用乙醇汽油與使用普通汽油相比，排放到空氣中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人認為燃料乙醇“可再生”；但也有人認為，生產燃料乙醇需要消耗大量糧食，會增加糧食短缺的風險。請你嘗試通過查閱資料，評估這一風險，并說明在生產時應如何規避這風險。
存在風險。在生產燃料乙醇時，為了規避這一風險，應該使用陳化糧食(如陳化的稻谷等)或者非糧食生物材料(如秸稈等)。使用陳化糧食來生產燃料乙醇，還有利于防止問題糧食流入市場。
（1）在培養基中加入化合物A的目的是___________ ，這種培養基屬于______培養基。
（2）培養若干天后，應選擇培養瓶中化合物A含量_____________的培養液，接入新的培養中續培養，使目的菌的數量___________。
1.某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌(目的菌)。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析回答問題。
化合物A的微生物
選擇
顯著降低
擴增
（3）若要研究目的菌的生長規律，可挑取單個菌落進行液體培養，再采用
方法進行計數。請你預測目的菌的種群數量會發生怎樣的變化。
細菌計數板計數
S形增長
復習與提高
篩選出可降解
1.某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌(目的菌)。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析回答問題。
（4）將目的菌用于環境保護實踐時,還有哪些問題需要解決
目的菌能否在自然環境中大量生長繁殖、是否會產生對環境有害的代謝物、降解化合物A后是否會產生二次污染等問題都需要研究清楚后，才能進行實踐。
（5）有人提出,可以通過改造細菌的基因來獲得能夠降解化合物A的細菌,請分析這種方法是否可行。
可行。這是后面將要學習的基因工程的基本思路。
2.某個高溫日，某校三位高中學生相約去吃冰激凌，之后兩人都出現腹瀉現象，于是他們懷疑冰激凌中的大腸桿菌含量超標。老師建議他們利用學過的有關微生物培養的知識對此冰激凌進行檢測。經過一番資料查閱,他們提出了如下實驗設計思路。
立即去賣冰激凌的小店再買一個同樣品牌的同種冰激凌；配制伊紅一亞甲藍瓊脂培養基（該培養基可用來鑒別大腸桿菌，生長在此培養基上的大腸桿菌菌落呈深紫色，并有金屬光澤）、滅菌、倒平板；取10 mL剛融化的冰激凌作為原液，然后進行梯度稀釋,稀釋倍數為1×10-1×105 ；取每個濃度的冰激凌液各0.1 mL，用涂布平板法進行接種，每個濃度涂3個平板，一共培養18個平板;在適宜溫度下培養48h，統計菌落數目。
（1）請你從下面幾個角度對這三位同學的思路進行評議。
①他們只打算對一個冰激凌進行檢測，理由是：兩個人吃過冰激凌后，都拉肚子了，所以再檢測一個就足以說明問題。你同意這樣的觀點嗎？為什么？
不同意。 只檢測一個冰激凌數據太少，不能排除偶然因素的影響。
②有沒有必要對冰激凌原液進行梯度稀釋？為什么？
提示：我國衛生部門規定了飲用水標準， 1mL自來水中細菌總數不可以超過100個（37 ℃培養24 h），1000 mL自來水中大腸桿菌菌落數不能超過3個（37℃培養48 h）
沒有必要。根據國家的標準，自來水中的大腸桿菌數目應該是非常少的。即使冰激凌中大腸桿菌數目超標了，也不可能很離譜，如果進行梯度稀釋，最后培養出來的菌落數可能不在計數要求的范圍內，從而導致結果誤差大。解答這個問題的時候，應該讓學生明白并不是所有的細菌檢測培養都需要進行梯度稀釋，而是要根據實際情況來確定培養方案。
（2）下圖所示為4種菌落分布圖，一般不能由涂布平板法得到的是_________。
B
（3）在完善實驗設計思路后，三位同學進行了實驗。培養結果顯示，除了深紫色菌落，還有其他菌落存在，這說明了什么？如果以菌落數代表樣品中的大腸桿菌數量，則統計結果比實際值是偏多還是偏少？為什么？
說明冰激凌中不僅有大腸桿菌，還有其他細菌或真菌等。
統計結果比實際值偏少。
因為有些菌落可能會重疊，統計時容易將其誤認為是一個茵落，并且這種計數方法統計的是活菌的數目。
（4）如果實驗結果顯示,檢測的冰激凌中大腸桿菌含量超標了。接下來他們應該做什么
應該馬上去小店告知店主這批冰激凌不能再賣了；還要告知食品衛生管理部門，以對這批冰激凌的來源進行追蹤調查。其他合理答案也可。

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