1、发 酵 工 程 及 其 应 用 什么是发酵工程？发酵工程的一般流程是什么？发酵工程在生产上有哪些重要的价值？问题探讨 Problems discussed青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？通过发酵工程生产 录 目 Contents 1 2 3 发酵工程的基本环节 The basic link of fermentation engineering发酵工程的应用 App
2、lication of fermentation engineering习题巩固 Exercises to consolidatePart 1 发酵工程的基本环节 The basic link of fermentation engineering发酵工程的基本环节 The basic link of fermentation engineering 是指利用 的特定功能，通过现代工程技术，生产对人类有用的产品。它涉及 、等方面。发酵工程：微生物规模化 菌种的选育和培养 产物的分离和提纯 选育高产菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 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
3、 The basic link of fermentation engineering某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？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。发酵工程的基本环节 The basic link of ferment
4、ation engineering选育菌种 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 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。扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 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 The basic link of fermentation engineering选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 扩大培养的原因：工业发酵罐的体积一般为及时立方米到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。怎样扩大培养？将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再
5、进行培养。发酵工程的基本环节 The basic link of fermentation engineering选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 1.类型：发酵工程一般使用液体培养基。2.要求：根据菌种的代谢类型，选择不同的材料配制培养基。配置的培养基应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求。应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。发酵工程的基本环节 The basic link of fermentation engineering选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐
6、内发酵 分离提纯产物 获得产品 发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。灭菌的原因：杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。实例：在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。发酵工程的基本环节 The basic link of fermentation engineering选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 发酵过程的监控：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
7、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。发酵工程的中心环节 发酵工程的基本环节 The basic link of fermentation engineering选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？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。例如：谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。发酵罐示意图 Diagram of fermenter抽取样本进行检测 调节罐温 控制溶解氧使微生物与发酵液混合均
8、匀，加快O2的溶解以及散热调节罐压 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 电动机 排气管 pH计冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 阀门 放料管 发酵罐示意图 Diagram of fermenter计算机控制系统温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等微生物数量、产物浓度及时添加必需的营养组分使发酵过程处于最佳状态监测控制检测微生物的生长繁殖和代谢物的形成影响发酵条件发酵工程的基本环节 The basic link of fermentation engineering选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接
9、种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 发酵产物类型 获得产品的方法 微生物细胞 代谢物 过滤、沉淀等方法 适当的提取、分离和纯化措施 分离、提纯产物的方法措施：发酵工程基本环节分析 Analysis of basic links of fermentation engineering思考 讨论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？在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。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和溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养组分。发酵
10、工程基本环节分析 Analysis of basic links of fermentation engineering思考 讨论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是成分复杂的混合物，一般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。在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。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，进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。发酵工程基本环节分析 Analysis of basic links o
11、f fermentation engineering思考 讨论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。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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。Part 2 发 酵 工 程 的 应 用 Application of fermentation engineering发酵工程的应用 Application of fermentation engineering 产物专一 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的特点 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 在农牧业上
12、的应用 在其他方面的应用 发酵工程的应用 发酵工程的应用 Application of fermentation engineering1.在食品工业上的应用生产传统的发酵产品大豆蛋白质小分子肽和氨基酸酱油谷物、水果酒精+CO2霉菌产生蛋白酶酵母菌无氧条件淋洗调制各种酒类发酵工程的应用 Application of fermentation engineering1.在食品工业上的应用生产各种各样的食品添加剂增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期淀粉黑曲霉葡萄糖柠檬酸谷氨酸棒状杆菌谷氨酸味精柠檬酸合成酶发酵氧气处理淀粉 酶发酵工程的应用 Application
13、of fermentation engineering常用的几类食品添加剂 添加剂类型举例酸度调节剂L-苹果酸、柠檬酸、乳酸增味剂5-肌苷酸二钠、谷氨酸钠着色剂-胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂黄原胶、-环状糊精、结冷胶防腐剂乳酸链球菌素、溶菌酶发酵工程的应用 Application of fermentation engineering1.在食品工业上的应用生产酶制剂a.概念：从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。b.来源：少数由动植物生产c.应用：用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产量等方面。d.产品：-淀粉酶、-淀粉酶、果胶酶、氨基酸
14、肽酶和脂肪酶等。发酵工程的应用 Application of fermentation engineering啤酒的工业化生产流程发芽12 焙烤3 碾磨4 糖化大麦水糖化罐大麦种子发芽，释放淀粉酶。加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。淀粉水解形成糖浆。啤酒的工业化生产流程 The industrial production process of beer蒸煮56 发酵7 消毒8 终止产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。酵母菌将糖转化为酒精和CO2杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。过滤、调节、分装啤酒进行出售。糖浆 啤酒花过滤冷却装瓶 装罐储存罐啤酒的工
15、业化生产流程 The industrial production process of beer发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 主发酵 后发酵 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。啤酒的工业化生产流程 The industrial production process of beer1.啤酒的发酵过程分为_和_两个阶段；2.主发酵阶段完成_；3.后发酵的条件_；4.焙烤的目的：_；5.蒸煮的目的：主发酵后发酵酵母菌的繁殖、大部分糖分解和代谢物的生成低温、密闭的环境下储存一段时间加热杀死种子胚但
16、不使淀粉酶失活产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌思考 讨论啤酒的工业化生产流程 The industrial production process of beer思考 讨论1.与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制，产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。2.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低
17、和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？啤酒的工业化生产流程 The industrial production process of beer思考 讨论辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面,这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。啤酒的工业化生产流程 The industrial production process of beer类别“精酿”啤酒“工业”啤酒原料是否添加食品添加剂麦芽汁浓度发酵时间特点只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水 麦芽、啤酒花、酵母菌
18、、水、大米、玉米、淀粉等 不添加 添加 较高，口味浓郁 较低，口味清淡 长，可达2个月 短，通常7天左右 产量低、价格高 产量高、价格低 发酵工程的应用 Application of fermentation engineering2.在医药工业上的应用生产抗生素例如应用产黄青霉生产青霉素，用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。生产多种氨基酸许多微生物都能产生氨基酸，发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。发酵工程的应用 Application of fermentation engineering2.在医药工业上的应用生产激素利用工
19、程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。生产免疫调节剂例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。发酵工程的应用 Application of fermentation engineering发酵工程生产药物的方法 基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 发酵工程生产的药物 动植物的基因 微生物 直接改造微生物 转入 微生物 病原体的 抗原基因 转入 发酵 工程 药物 药物 疫苗 各种抗生素 多种氨基酸 多种激素 多种免疫调节剂 发酵工程的应用 Application of fermentation engineering3.在农牧业上的应用生产微生物肥料利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活
20、性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。发酵工程的应用 Application of fermentation engineering3.在农牧业上的应用生产微生物农药利用微生物或其代谢物来繁殖病虫害。微生物农药作为 的重要手段。生物防治发酵工程的应用 Application of fermentation engineering微生物农药防治和化学农药防治的比较 项目微生物农药防治化学农药防治防治机理优点缺点利用微生物或代谢物进行防治 成本低、无污染，可以维持生态平衡 防治速度慢 利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进
21、行防治 见效快，操作简单 成本高，污染环境，不利于维持生态平衡 发酵工程的应用 Application of fermentation engineering3.在农牧业上的应用生产微生物饲料微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。微生物菌体发酵工程的应用 Application of fermentation engineering4.在其他方面的应用1.解决资源短缺和环境污染问题利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质2.对极端微
22、生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量发酵工程的应用 Application of fermentation engineering发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。课堂小结 Brief summary（1）在食品工业上的应用生产传统的发酵产品生产各种各样的食品添加剂生产酶制剂（2）在医药工业上的应用生产抗生素生产多种氨基酸生产激素：生产免疫调节剂
23、：（3）在农牧业上的应用生产微生物肥料生产微生物农药生产微生物饲料（4）在其他方面的应用Part 3 习题巩固 Exercises to consolidate习题巩固 Exercises to consolidate与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。1.发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。()2.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。()3.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。()4.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。()习
24、题巩固 Exercises to consolidate1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。(1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示：血红蛋口具有携带O2的能力)可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。习题巩固 Exercises to consolidate(2)在发酵过程中，总有头抱霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头抱霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两
25、个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产青霉素或者只生产头抱霉素呢？可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。习题巩固 Exercises to consolidate2.通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃 料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调査显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食,会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料,评估
26、这一风险，并说明在生产时应如何规避这一风险。这一风险是存在的。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。习题巩固 Exercises to consolidate1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析冋答问题。污水池中污泥样品初选振荡培养若干天后测定各瓶中化合物A的含量接种候选菌接种选择 接种接种 固体培养基重
27、复多次，直至获得目的菌。习题巩固 Exercises to consolidate(1)在培养基中加入化合物A的目的是，这种培养基属于培养基。筛选出可以降解化合物A的微生物选择(2)培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量的培养液，接入新的培养液中连 续培养，使目的菌的数量。显著降低扩增(3)若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落进行液体培养，再采用 方法进行计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。细菌计数板计数 S型增长 习题巩固 Exercises to consolidate(4)将目的菌用于环境保护实践时，还有哪些问题需要解决？目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对
28、环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践。(5)有人提出，可以通过改造细菌的基因来获得能够降解化合物A的细菌，请分析这种方法是否可行。可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。习题巩固 Exercises to consolidate2.某个高温日，某校三位高中学生相约去吃冰激凌，之后两人都出现腹泻现象，于是他们怀疑冰激凌中的大肠杆菌含量超标。老师建议他们利用学过的有关微生物培养的知识对此冰激凌进行检测。经过一番资料查阅，他们提出了如下实验设计思路。立即去卖冰激凌的小店再买一个同样品牌的同种冰激凌；配制伊红一亚甲蓝琼脂培养基(该培养基可用来鉴别大
29、肠杆菌，生长在此培养基上的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽)、灭菌、倒平板；取10 mL刚融化的冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释，稀释倍数为1 x 101 X105；取每个浓度的冰激凌液各0.1mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3个平板，一共培养18个平板；在适宜温度下培养48 h,统计菌落数目。习题巩固 Exercises to consolidate(1)请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。他们只打算对一个冰激凌进行检测，理由是：两个人吃过冰激凌后，都拉肚子了，所以 再检测一个就足以说明问题。你同意这样的观点吗？为什么？不同意。提示：只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因
30、素的影响。习题巩固 Exercises to consolidate 有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？【提示：我国卫生部门规定的饮用水标 准是：1 mL自来水中细菌总数不可以超过100个(37培养24h),1 000 mL自来水中大肠杆菌菌 落数不能超过3个(37培养48 h)没有必要。提示：根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方
31、案。习题巩固 Exercises to consolidate 他们认为，在用该方法统计菌落数目时不需要设计对照组，所以只准备培养18个平板。你认为在这项检测中是否需要对照组？为什么？需要设置对照组。严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可以说明培养基是否被污染，后者可以说明该培养基能否培养出大肠杆菌。习题巩固 Exercises to consolidate(2)下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是。BABCD习题巩固 Exercises to consolidate(3)在完善实验设计思路后,
32、三位同学进行了实验。培养结果显示,除了深紫色菌落,还有其他菌落存在,这说明了什么?如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量,则统计结果比实际值是偏多还是偏少?为什么?说明冰激凌中不仅有大肠杆菌,还有其他细菌或真菌等。统计结果比实际值偏少。因为有些菌落可能会重叠,统计时容易将其误认为是一个菌落,并且这种计数方法统计的是活菌的数目。习题巩固 Exercises to consolidate(4)如果实验结果显示,检测的冰激凌中大肠杆菌含量超标了。接下来他们应该做什么?应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。Thank you for watching 课时作业