发酵工程简介高中生物
1、第三节 发酵工程简介 学习目标： 1、发酵工程的概念和内容（A：知道）。 2、发酵工程在医药工业和食品工业中的 应用（A：知道）。学习重点：发酵工程的概念和内容。学习难点： 发酵过程中如何保证菌种生长和代谢的正常进行。一、应用发酵工程的生产实例根据谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径，思考回答 下列问题：1、谷氨酸棒状杆菌在一定的条件下能够利用环境中的什么营养物质来合成谷氨酸？2、谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，是不是所有的谷氨酸棒状杆菌都可用于谷氨酸发酵生产呢？我们应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢？答：只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量
2、的谷氨酸3、有了菌种用什么样的培养基去培养呢？答：培养基应满足微生物生长所需要的碳源、氮源、 水、无机盐和生长因子等营养需求。4、谷氨酸发酵所需培养基的各种成分中属于无机盐、氮源、碳源、生长因子的分别有哪些？这种培养基能否满足氨酸棒状杆菌所需各种营养？这种 培养基从组成成分和物理性质上看属于哪种培养基？答：豆饼（或马铃薯等）的水解液，玉米浆、尿素、 磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素。 能 从物理性质上看是液体培养基，从化学成分上 看是天然培养基。 答：（1）液体培养基能使营养物质在发酵过程中得 到充分的利用，还能为菌体提供更大的生 存空间。同时，也有利于生产过程中培养 条件的控制以及产物的提
3、取。 （2）采用天然物质作营养物质既能满足菌体的 营养需求，又能降低生产成本，还能减少 对环境的污染。 5、在工业生产过程中常采用这种天然成分作为营养物质的液体培养基，这在发酵生产中有什么好处呢？6、有了菌种和合适的培养基，那发酵的主体设备又该 是什么样的呢？ 发酵罐7、发酵的主体设备发酵罐的控制部分构成有哪些？ 分别有什么作用？在发酵过程中，发酵罐内的温度、pH、溶氧量都会变化，从而影响微生物的生长。因此，必须有相应的控制结构来保持发酵条件的稳定。8、在发酵罐中是怎样进行谷氨酸发酵生产的？ 菌 种培养基发酵罐条件控制谷氨酸产品加工提取二、发酵工程的概念和内容（一）、概念： 即采用现代工程技术
4、手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程中的一种新技术。 （二）、内容：从自然界中分离的菌种诱变育种基因工程细胞工程生产有菌种扩大培养发酵罐发酵条件控制微生物菌体代谢产物医药工业食品工业原料产品应用接种分离提纯灭菌培养基配 制 1菌种的选育： 思考： 发酵工程是利用微生物为人类生产有用产品， 因此要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等 方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的 菌种，人们怎样才能得到优良的菌种呢？ 答：基因突变、基因工程、细胞工程 如果生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，则可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物
5、理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。 如果生产的是一般微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。 例如：可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒结合，形成重组DNA，再把重组DNA导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则可培养出能生产人的胰岛素的菌种。 2培养基的配制 ：思考回答在配制培养基时应该注意哪些事情呢？答：（1）根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。配制 的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等 方面的营养要求，并为微生物提供适宜的
6、pH。 （2）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。 （3）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生 产成本，以得到更高的经济效益。 例如：发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且，经常用野 生的植物淀粉、甘蔗渣、秸秆水解物以及乙醇、醋酸等石化产品 代替粮食来配制培养基。 3灭菌：思考： 发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为什么呢？那如何防止杂菌的污染呢？怎样才算灭菌彻底呢？答：在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响；要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理； 用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子
7、 4扩大培养和接种： 思考：如何对菌种进行扩大培养呢？扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注意什么事项呢？ 答：扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体；扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同；接种过程中要注意防止杂菌污染。思考：哪些条件能影响菌体的发酵呢？发酵过程中为什 么还要控制发酵条件呢？ 答：发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程有重大影响；随着代谢的进行，产热的增加、营养物质的消耗，以及某些酸性和碱性物质的产
8、生，会使温度、pH等发生变化，这些都会对微生物的生长造成不利影响。因此，需要对发酵过程的中温度、pH、溶氧量等发酵条件进行严格的控制，以保证菌体生长和代谢途径朝着有利人类的方向进行。 6分离、提纯： 思考：发酵产物不同分离提纯的方法是否相同？如不 同分别有什么方法进行分离、提纯？ 答：一类是代谢产物、另一类是菌体本身。5发酵过程： 三、发酵工程的应用（一）在医药方面： 1发酵工程能生产人们所需的药品。例如：通过青 霉发酵能生产青霉素。 2通过发酵工程能生产基因药品。例如：将合成的 人的胰岛素基因转移到大肠杆菌细胞内构建成“工 程菌”，再通过培养“工程菌”即可获得人的胰岛素。 （二）在食品工业方
9、面： 1发酵工程能为人们提供丰富优质的传统发酵产品。 如：生产呻酒，果酒等。 2、发酵工程能为解决人类粮食短缺问题开辟新途径。 例如：通过发酵可获得大量的微生物菌体单细胞 蛋白。20世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年产量 已达2.0 x107t，广泛用于食品加工和饲料中。 3、发酵工程能生产各种食品添加剂：酸味剂：柠檬酸、乳酸等。鲜味剂：谷氨酸等。色 素：-胡萝卜素等。甜味剂：高果糖浆等。 1菌种的选育： 思考： 发酵工程是利用微生物为人类生产有用产品， 因此要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等 方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的 菌种，人们怎样才能得到优良的菌种呢？ 答：基因
10、突变、基因工程、细胞工程 如果生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，则可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。 如果生产的是一般微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。 例如：可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒结合，形成重组DNA，再把重组DNA导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则可培养出能生产人的胰岛素的菌种。 2培养基的配制 ：思考回答在配制培养基时应该注意哪些事情呢？答：（1）根据不同的菌种，应选择
11、不同的材料配制培养基。配制 的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等 方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH。 （2）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。 （3）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生 产成本，以得到更高的经济效益。 例如：发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且，经常用野 生的植物淀粉、甘蔗渣、秸秆水解物以及乙醇、醋酸等石化产品 代替粮食来配制培养基。 3灭菌：思考： 发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为什么呢？那如何防止杂菌的污染呢？怎样才算灭菌彻底呢？答：在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响；要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理； 用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子 4扩大培养和接种： 思考：如何对菌种进行扩
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