1、第1章 发酵工程第3节 发酵工程及其应用第第1 1课时课时 发酵工程的基本环节发酵工程的基本环节从社会中来 青霉素青霉素是世界上是世界上第一个第一个应用于临床的应用于临床的抗生素抗生素。早期早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格格贵如贵如金金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了步入了产业化生产产业化生产的道路。如今，一瓶规格的道路。如今，一瓶规格160160万单位万单位的青霉素注射剂的价格的青霉素注射剂的价格只要只要1 1元左右元左右。那么，在工业上，。那么，在工业上，青霉素究竟是
2、青霉素究竟是怎样生产怎样生产的呢？的呢？发酵工程发酵工程指利用微生物的指利用微生物的特定功能特定功能，通过，通过现代工程技术现代工程技术，规模化生规模化生产产对人类有用的产品。对人类有用的产品。它涉及它涉及菌种的选育和培养菌种的选育和培养，产物的产物的分离和提纯分离和提纯等方面。等方面。大规模生产发酵产品微生物的特定功能现代化工程技术一、发酵工程对发酵原理的认识微生物纯培养技术建立密闭式发酵罐设计成功严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)01发酵工程的基本环节菌种选育扩大培养发酵罐内发酵配制培养基灭菌接种分离、提纯产物获得产品二、发酵工程的基本环节影响1、选育菌种（1 1
3、）目的：）目的：获得获得_性状优良的菌种性状优良的菌种（2 2）菌种来源菌种来源：从自然界中筛选、从自然界中筛选、或或 。诱变育种诱变育种基因工程育种基因工程育种（3 3）实例：）实例：筛选筛选产酸量高的产酸量高的黑曲霉黑曲霉用来生产用来生产柠檬酸柠檬酸；使用使用基因工程改造基因工程改造的的啤酒酵母啤酒酵母，加速加速发酵、发酵、缩短缩短生产周期。生产周期。二、发酵工程的基本环节优点：优点：经济实惠经济实惠缺点：缺点：自发突变频率低，出现优良性状可能性小，需要时间长。自发突变频率低，出现优良性状可能性小，需要时间长。自然筛选自然筛选诱变育种或基因工程育种诱变育种或基因工程育种优点：优点：育种时间
4、短、提高发酵产物纯度、减少副产物育种时间短、提高发酵产物纯度、减少副产物缺点：缺点：技术要求高技术要求高2、扩大培养（1 1）目的：）目的：获得获得 。更多的菌种更多的菌种（2 2）原因：）原因：工业发酵罐工业发酵罐的体积一般为的体积一般为几十到几百立几十到几百立方米方米，接入的，接入的菌种菌种总体积需要总体积需要几立方米几立方米到几十立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。要对菌种进行扩大培养。3、配制培养基要根据确定的菌种选择合适的原料制备培养基。要根据确定的菌种选择合适的原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过在生产实践中，培养基的配方
5、要经过 才能确定。才能确定。反复试验反复试验二、发酵工程的基本环节4、灭菌（1 1）灭菌原因：）灭菌原因：发酵工程种所用的菌种大多是发酵工程种所用的菌种大多是 ，一旦有杂，一旦有杂菌污染，可能导致菌污染，可能导致 。单一菌种单一菌种产量大大降低产量大大降低（2 2）都必须经过都必须经过严格的严格的灭菌灭菌。培养基培养基和和发酵设备发酵设备例如，在例如，在青霉素生产过程中青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些如果污染了杂菌，某些杂菌杂菌会分泌会分泌青霉青霉素酶素酶将青霉素分解掉。将青霉素分解掉。5、接种将将 的菌种投放到的菌种投放到 中。中。发酵罐发酵罐扩大培养后扩大培养后二、发酵工程的基本环节6
6、、发酵罐内发酵发酵工程的发酵工程的中心环节中心环节（1 1）要求：）要求：发酵过程中，要发酵过程中，要随时检测随时检测培养液中的培养液中的微生微生物数量、产物浓度物数量、产物浓度等以了解发酵进程。等以了解发酵进程。要要及时添加及时添加必需的营养组分必需的营养组分，要，要严格控制严格控制发酵发酵温度、温度、pHpH、溶解氧、溶解氧等发酵条件。等发酵条件。（2 2）严格控制发酵条件的原因：）严格控制发酵条件的原因：环境条件不仅会环境条件不仅会影响影响微生物的微生物的生长繁殖生长繁殖，而且而且影响影响微生物微生物代谢物的形成代谢物的形成；严格控制发酵条件，严格控制发酵条件，有利于有利于使发酵全过程使
7、发酵全过程处于处于最佳状态最佳状态。二、发酵工程的基本环节（3 3）不同发酵条件的影响实例）不同发酵条件的影响实例谷氨酸发酵谷氨酸发酵在在 和和 条件下会积累谷氨酸；条件下会积累谷氨酸；在在 条件下则容易生成谷氨酰胺和条件下则容易生成谷氨酰胺和N N-乙酰谷胺酰胺。乙酰谷胺酰胺。中性中性弱碱性弱碱性酸性酸性（4 4）现代发酵工程使用的发酵罐的优点）现代发酵工程使用的发酵罐的优点均有均有 ，能对发酵过程中的，能对发酵过程中的温度、温度、pHpH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养沫和营养等进行等进行 和和 ，还可以进，还可以进行行 ，使发酵全过程处于，使发酵全
8、过程处于 。计算机控制系统计算机控制系统监测监测控制控制反馈控制反馈控制最佳状态最佳状态6、发酵罐内发酵发酵工程的发酵工程的中心环节中心环节二、发酵工程的基本环节装置编号装置编号主要用途主要用途A1-A3A1-A3A4A4B1-B5B1-B5C1C1、C2C2C3C3D1D1、D2D2控制控制培养物以一定培养物以一定速度速度进入、进入、流出发酵罐，流出发酵罐，实现连续培养实现连续培养控制溶解氧控制溶解氧通过肉眼观察、仪器检测等通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程监控发酵条件以及发酵过程，B2B2处处抽取样品抽取样品进一步检测。进一步检测。通过通过控制冷水流速控制冷水流速调节罐温调节
9、罐温调节调节罐压罐压电机带动叶轮转动进行电机带动叶轮转动进行搅拌搅拌，使微生物与发酵液使微生物与发酵液混合均匀混合均匀，加快氧气溶解以及散热。加快氧气溶解以及散热。发酵罐发酵罐二、发酵工程的基本环节电动机电动机D1D1排气管排气管C3C3pHpH计计B3B3冷却夹层冷却夹层发酵液发酵液搅拌叶轮搅拌叶轮D2D2生物传感器生物传感器装置装置B4B4空气入口空气入口A4A4A3 A3 阀门阀门B1B1观察孔观察孔B2B2取样管取样管B5B5温度传感器温度传感器和控制装置和控制装置A1A1培养物或营养培养物或营养物质的加入口物质的加入口放料管放料管A2A2冷却水排出口冷却水排出口C2C2C1C1冷却水
10、进冷却水进入口入口7、分离、提纯产物方法：方法：发酵产品是发酵产品是微生物细胞本身微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采时，可在发酵结束之后，采用用 、等方法将菌体等方法将菌体 和和 ；发酵产品是发酵产品是微生物代谢物微生物代谢物时，可根据时，可根据 采取采取 的的 、和和 措施来获得产品。措施来获得产品。过滤过滤沉淀沉淀分离分离干燥干燥产物的性质产物的性质适当适当提取提取分离分离纯化纯化8、获得产品啤酒啤酒味精味精二、发酵工程的基本环节1.1.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？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？在在低成本低成本的培养基上
11、能迅速的培养基上能迅速生长繁殖生长繁殖；生产所需代谢物的生产所需代谢物的产量高产量高；发酵条件发酵条件易控制易控制；菌种菌种不易不易变异，退化变异，退化等。等。2.2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？反复试验确定反复试验确定培养基的配方；对培养基和发酵设备进行严格的培养基的配方；对培养基和发酵设备进行严格的灭菌灭菌；随时检测随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；培养液中微生物的数量、产物浓度等；及时添加及时添加必需的营养组分；必需的营养组分；严格控制严格控制温度、温度、pHpH和溶氧量等发酵条件，使用和溶氧量等发酵条件，使用计算机
12、控制系统计算机控制系统对各种条件对各种条件进行进行监测和控制监测和控制，以及，以及反馈控制反馈控制。思考讨论3 3.在产物分离和提纯方面，在产物分离和提纯方面，发酵工程发酵工程与与传统发酵技术传统发酵技术相比有哪些改进相比有哪些改进之处？之处？传统发酵技术传统发酵技术获得的获得的产物一般不是单一的组分产物一般不是单一的组分，而是成分，而是成分复杂的混合复杂的混合物，物，很多时候很多时候不会不会再对产物再对产物进行分离和提纯处理，或者进行分离和提纯处理，或者仅采用仅采用简单的简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。发酵工程发酵工程中使用的中使用的分离和提纯产物分离和
13、提纯产物的方法较多。在产物的的方法较多。在产物的初分离阶段初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；在常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化进一步纯化阶段阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行物还是菌体本身，都需要进行质量检查质量检查，合格后合格后才能成为才能成为正式产品正式产品。思考讨论4.4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放能直接排放到外界到外界环境中吗环境中吗?为什么？为什么？不能不能
14、因为在进行发酵生产时，因为在进行发酵生产时，微生物微生物及其及其代谢物代谢物中都可能含有中都可能含有危害环境危害环境的的物质。物质。为了为了减少或避免减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废气培养液进行气体和废气培养液进行二次清洁或灭菌处理二次清洁或灭菌处理。思考讨论从社会中来 青霉素青霉素是世界上是世界上第一个第一个应用于临床的应用于临床的抗生素抗生素。早期早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如格贵如金金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素。随着高产菌种的选
15、育、发酵技术的发展等，青霉素步入了步入了产业化生产产业化生产的道路。如今，一瓶规格的道路。如今，一瓶规格160160万单位万单位的青霉素注射剂的价格的青霉素注射剂的价格只要只要1 1元左右元左右。那么，在工业上，。那么，在工业上，青霉素究竟是青霉素究竟是怎样生产怎样生产的呢？的呢？选育高选育高产菌种产菌种扩大扩大培养培养配制配制培养基培养基灭菌灭菌接种接种发酵罐发酵罐内发酵内发酵分离、提分离、提纯产物纯产物获得获得产品产品选育菌种扩大培养接种灭菌配制培养基发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品课堂小结课堂小结1 1、下列关于发酵工程的操作流程的叙述，错误的是下列关于发酵工程的操作流程的叙述，错误的是
16、()A A发酵所需的菌种需要进行筛选或育种获得发酵所需的菌种需要进行筛选或育种获得B B菌种在接种之前要进行扩大培养菌种在接种之前要进行扩大培养C C发酵所用的培养基要进行灭菌，发酵设备不需要严格灭菌发酵所用的培养基要进行灭菌，发酵设备不需要严格灭菌D D若产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施若产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施获得获得C C课堂练习课堂练习2 2、下列有关发酵工程的叙述，正确的是下列有关发酵工程的叙述，正确的是()A A发酵工程常采用连续培养的方法以最大限度地获得人类所需的产品发酵工程常采用连续培养的方法以最大限度地获得人类所
17、需的产品B B发酵所用的菌种多是通过杂交育种的方式获得发酵所用的菌种多是通过杂交育种的方式获得C C发酵工程就是利用微生物的无氧呼吸生产人类所需的产品发酵工程就是利用微生物的无氧呼吸生产人类所需的产品D D发酵工程与基因工程和细胞工程无关发酵工程与基因工程和细胞工程无关A A3 3、(多选多选)下列关于发酵过程的说法下列关于发酵过程的说法，正确的是正确的是()A.A.培养基灭菌是发酵生产中的一个很重要的环节培养基灭菌是发酵生产中的一个很重要的环节B.B.随时监测影响发酵过程的各种环境条件随时监测影响发酵过程的各种环境条件，并予以控制并予以控制，才能保证发酵的正才能保证发酵的正常进行常进行C.C
18、.在发酵过程中在发酵过程中，要严格控制温度、要严格控制温度、pHpH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢物的形成否则会影响菌种代谢物的形成D.D.发酵产品的分离方法是共同的发酵产品的分离方法是共同的ABC解析:不同的发酵产品,其分离方法不同。有的需要过滤、沉淀,有的则需要进行蒸馏、萃取或离子交换。课堂练习课堂练习4 4、发酵工程的一项关键措施是灭菌、发酵工程的一项关键措施是灭菌，下列关于灭菌的叙述下列关于灭菌的叙述，正确的是正确的是()A.A.培养基和发酵设备均需要严格灭菌培养基和发酵设备均需要严格灭菌B.B.灭菌是杀死培养基中的一切细菌和真菌灭
19、菌是杀死培养基中的一切细菌和真菌C.C.通入无菌空气可以达到灭菌的目的通入无菌空气可以达到灭菌的目的D.pHD.pH调到调到7 7左右灭菌效果最好左右灭菌效果最好A解析:培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,A项正确;培养基的灭菌是杀死培养基中的一切微生物,B项错误;为防止杂菌污染,通入的空气也要是无菌的,但不是通入无菌空气就可以达到灭菌的目的,C项错误;灭菌效果与pH无直接关系,D项错误。课堂练习课堂练习1 1、下列关于发酵的叙述，正确的是下列关于发酵的叙述，正确的是()A A发酵就是无氧呼吸发酵就是无氧呼吸B B发酵是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转发酵是指人们利
20、用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程化为人类所需要的产物的过程C C发酵就是只获得微生物的代谢产物发酵就是只获得微生物的代谢产物D D发酵就是发酵工程发酵就是发酵工程2 2、下列属于发酵工程的过程依次是下列属于发酵工程的过程依次是()提取目的基因发酵过程动物细胞融合菌种的选育接种提取目的基因发酵过程动物细胞融合菌种的选育接种灭菌扩大培养植物组织培养培养基的配制分离、提纯产物灭菌扩大培养植物组织培养培养基的配制分离、提纯产物A AB BC C D DD DB B作业3 3、下列有关发酵过程的做法中，符合生产实际的是下列有关发酵过程的做法中，符合生产实际的是
21、()A A通过人工诱变、杂交、基因工程和细胞工程选育菌种通过人工诱变、杂交、基因工程和细胞工程选育菌种B B生产过程中排出的废弃物可直接排入附近农田作肥料生产过程中排出的废弃物可直接排入附近农田作肥料C C分离单细胞蛋白时，通常采用萃取、离子交换等方法分离单细胞蛋白时，通常采用萃取、离子交换等方法D D在连续培养过程中补充的同种培养液和空气须先灭菌在连续培养过程中补充的同种培养液和空气须先灭菌D D产品的分离与提纯要根据产物的类型采用不同的分离方法产品的分离与提纯要根据产物的类型采用不同的分离方法D D作业4 4、下列关于发酵工程的说法中，不正确的是下列关于发酵工程的说法中，不正确的是()A A在菌种选育过程中，可以利用人工诱变、基因工程等手段在菌种选育过程中，可以利用人工诱变、基因工程等手段B B虽然青霉素是抗生素，但在青霉素生产过程中仍然需要严格灭菌虽然青霉素是抗生素，但在青霉素生产过程中仍然需要严格灭菌C C在谷氨酸棒状杆菌发酵过程中，在谷氨酸棒状杆菌发酵过程中，pHpH呈酸性时产生乳酸或琥珀酸，呈酸性时产生乳酸或琥珀酸，pHpH呈碱性呈碱性时产生谷氨酸时产生谷氨酸D D发酵工程的产品可以采用过滤、沉淀、蒸馏、萃取、离子交换等方法提取发酵工程的产品可以采用过滤、沉淀、蒸馏、萃取、离子交换等方法提取C C
