《發(fā)酵工程及其應(yīng)用》教學(xué)課件1

第一章發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及應(yīng)用本節(jié)聚焦什么是發(fā)酵工程？發(fā)酵工程的一般流程是什么？發(fā)酵工程在生產(chǎn)上有哪些重要的價(jià)值？從社會(huì)中來(lái)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，1瓶規(guī)格160萬(wàn)單位的青霉素注射劑的價(jià)格只要1元左右。那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？與社會(huì)的聯(lián)系發(fā)酵工程的形成微生物純培養(yǎng)技術(shù)的建立密閉式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)成功人們對(duì)發(fā)酵原理的認(rèn)識(shí)發(fā)酵工程形成那么發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)是什么呢？應(yīng)用發(fā)酵工程能夠生成哪些產(chǎn)品呢？一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一般包括：菌種的選育，

擴(kuò)大培養(yǎng)，

培養(yǎng)基的配制、滅菌，

接種、發(fā)酵，

產(chǎn)品的分離、提純等方面。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)選育菌種:可以從自然界中篩選,也可通過(guò)誘變育種或基因工程獲得擴(kuò)大培養(yǎng)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵:發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在了解發(fā)酵進(jìn)程的同時(shí),還要控制發(fā)酵條件。如環(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接種滅菌:不能有雜菌污染。如在青霉素生產(chǎn)過(guò)程中如果污染了雜菌,某些雜菌會(huì)分泌青霉素酶將青霉素分解掉分離、提純產(chǎn)物:(1)若產(chǎn)品是微生物本身,可采用過(guò)濾、沉淀等方法;(2)若產(chǎn)品是代謝物,可根據(jù)產(chǎn)物性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)拇胧┇@得產(chǎn)品

中心環(huán)節(jié)電動(dòng)機(jī)排氣管pH計(jì)冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管閥門培養(yǎng)物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進(jìn)入口發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵中心環(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)組分，要嚴(yán)格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。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。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。發(fā)酵罐示意圖環(huán)節(jié)目的菌種選育擴(kuò)大培養(yǎng)培養(yǎng)基的配制滅菌產(chǎn)品的分離、提純性狀優(yōu)良菌種可從自然界篩選，也可通過(guò)誘變育種或基因工程育種獲得。工業(yè)發(fā)酵罐體積大，接種菌種總體積大。發(fā)酵前需對(duì)菌種擴(kuò)大培養(yǎng)。選原料制備培養(yǎng)基。生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基配方要經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能確定。發(fā)酵工程所用大多為單一菌種，有雜菌污染影響產(chǎn)量，培養(yǎng)基和設(shè)備需嚴(yán)格滅菌現(xiàn)代發(fā)酵工程的大型發(fā)酵罐有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對(duì)溫度、PH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)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)。發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)，發(fā)酵過(guò)程中，要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中微生物數(shù)量、產(chǎn)品濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分，嚴(yán)格控制溫度、PH和溶解氧等發(fā)酵條件。環(huán)境條件不僅影響微生物生長(zhǎng)繁殖，還影響微生物代謝物的形成。如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束后，采用過(guò)濾、沉淀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，可據(jù)產(chǎn)物性質(zhì)采取適當(dāng)提取、分離純化措施來(lái)獲得產(chǎn)品。接種發(fā)酵罐發(fā)酵發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析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？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)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（2）及時(shí)添加必要的營(yíng)養(yǎng)組分。(3)對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌。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。思考·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？發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析傳統(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，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)分離和提純產(chǎn)物。在發(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。思考·討論4、進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液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發(fā)酵工程有哪些特點(diǎn)？教材24頁(yè)二、發(fā)酵工程的應(yīng)用發(fā)酵工程以其生產(chǎn)條件溫和、原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉、產(chǎn)物專一、廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小和容易處理等特點(diǎn)，在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和農(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)。啤酒的工業(yè)化流程

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。教材25頁(yè)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產(chǎn)都在主發(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合引用，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)流程思考·討論1、與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在工業(yè)化啤酒生產(chǎn)過(guò)程中，哪些工程手段使啤酒產(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)。思考·討論閱讀教材24-27頁(yè)回答以下問(wèn)題：二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1、發(fā)酵工程有哪些方面的應(yīng)用？2、在食品工業(yè)上的應(yīng)用有哪些？3、在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用有哪些？4、在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用有哪些？（一）、在食品工業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品

發(fā)酵工程使這些產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高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利用霉菌發(fā)酵生產(chǎn)醬油、利用釀酒酵母生產(chǎn)各種酒類生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑食品添加劑不僅可以增加食品的營(yíng)養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，有時(shí)還可以延長(zhǎng)食品的保存期。添加劑類型舉例酸度調(diào)節(jié)劑L-蘋果酸、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（一）、在食品工業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)酶制劑a-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。目前，已有50多種酶制劑成功用于食品的直接生產(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)量等方面。（一）、在食品工業(yè)上的應(yīng)用采用基因工程的方法，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；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。利用工程菌發(fā)酵生產(chǎn)生長(zhǎng)激素釋放抑制激素通過(guò)誘變的青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素（二）、在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用科學(xué)家還利用基因工程，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)物就可以作為疫苗使用。未來(lái)甚至還可能用微生物來(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。（二）、在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用（三）、在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用利用根瘤菌和固氮菌生產(chǎn)的根瘤菌肥、固氮菌肥生產(chǎn)微生物肥料

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)（三）、在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)微生物農(nóng)藥微生物農(nóng)藥是利用

或

來(lái)防治病蟲害的。微生物農(nóng)藥作為

的重要手段，微生物其代謝物生物防治生物防治例子：利用蘇云金桿菌防治多種農(nóng)林蟲害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲，

一種放線菌產(chǎn)生的抗生素-井岡霉素可防治水稻枯紋病。（三）、在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)微生物飼料微生物含有豐富的

。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

，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)蛋量顯著提高微生物菌體蛋白質(zhì)（三）、在其他方面的應(yīng)用發(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1、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)2、對(duì)極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環(huán)境）的利用利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產(chǎn)洗滌劑小試牛刀下列不屬于發(fā)酵工程應(yīng)用的是（

）A．利用工程菌生產(chǎn)人生長(zhǎng)激素釋放抑制激素B．利用啤酒酵母釀造啤酒C．用培養(yǎng)的人細(xì)胞構(gòu)建人造皮膚D．用酵母菌生產(chǎn)作為食品添加劑的單細(xì)胞蛋白Ｃ發(fā)酵法生產(chǎn)酒精后的廢液(pH4.3)含有大量有機(jī)物，可用于培養(yǎng)、獲得白地霉菌體，生產(chǎn)高蛋白飼料。培養(yǎng)、制取白地霉菌體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖如下。請(qǐng)據(jù)圖回答下列問(wèn)題：(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)白地霉的培養(yǎng)基是____________。培養(yǎng)基定量分裝前，先調(diào)節(jié)________，分裝后用棉塞封瓶口，最后________處理。(2)圖中①過(guò)程稱為______，從甲到丁的培養(yǎng)過(guò)程是為了__________。白地霉菌的代謝類型為____

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