第五章第三节发酵工程简介.doc
(建筑工程管理)第五章第三节发酵工程简介
（建筑工程管理）第五章第三节发酵工程简介第五章第三节发酵工程简介教学目标1．知识方面（1）发酵工程的概念（知道）。
（2）发酵工程中培养基的配制、菌种选育、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离、提纯等相关内容（知道）。
（3）有关发酵工程在医药工业和食品工业中应用的内容（知道）。
2．态度观念方面（1）通过学习发酵工程的有关内容，培养学生理论联系实际的科学态度。
（2）通过学习有关发酵工程在医药工业和食品工业中应用的知识激发学生学习生物学的兴趣，提高学生把所学知识转化为技术，且服务于社会的STS意识。
3．能力方面通过对发酵过程中菌种选育、发酵条件控制等相关内容的讨论，培养学生综合运用知识去解决实际问题的能力。
重点、难点分析1．教学重点：（1）通过对谷氨酸发酵实例的分析、讨论，使学生了解发酵工程的概念，了解菌种选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离、提纯等内容是本节的重点。
（2）让学生收集有关发酵工程应用的资料，且相互交流、讨论，使学生了解发酵工程在医药工业、食品工业中的应用知识也是本节的教学重点之壹。
2．教学难点：有关发酵工程的内容是本节教学的难点，因为这些内容中涉及了细胞工程、基因工程、杂菌污染对发酵工业造成的危害以及发酵条件对菌种代谢途径的影响等多点知识，比较繁杂，学生较难理解。
教学模式启发讲解和学生讨论相结合。
教学手段谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的代谢途径及发酵的的示意图的投影片，影响谷氨酸代谢途径的因素表格及谷氨酸发酵所用培养基的成分的表格。
课时安排二课时。
设计思路1．前期知识准备：（1）复习有关谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径及其人工控制的内容。
（2）复习有关微生物群体生长的规律及影响微生物生长的环境因素的内容。
（3）复习有关微生物的营养、培养基、代谢产物等内容。
2．通过讨论谷氨酸发酵过程，使学生了解从菌种选育、培养基配制到产品生成等简要的发酵生产过程，了解发酵生产的主体设备发酵罐及其控制部分，且了解发酵工程的概念。
高中生物知识梳理复习 发酵工程简介
第三节发酵工程简介教学目的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）。
重点和难点1．教学重点发酵工程的概念和内容。
2．教学难点在发酵过程中，如何保证菌种生长和代谢的正常进行。
教学过程【板书】实例：谷氨酸发酵发酵工程的概念菌种选育发酵工程培养基的配制发酵工程灭菌的内容扩大培养和接种发酵过程产品的分离和纯化在医药工业方面的应用发酵工程的应用在食品工业方面的应用【注解】一、实例：谷氨酸发酵（一）获取菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌（二）配制培养液：五种因子（三）灭菌：高压蒸汽灭菌（四）接种：无菌条件下加入菌种（五）发酵：在发酵罐中进行，其中的关键步骤是“溶氧”。
通入无菌空气并不断搅拌（六）分离提取产物二、发酵工程的概念（一）概念：采用现代工程技术手段，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的一种新技术。
（二）发酵工程的内容1．菌种选育：自然分离、人工诱变、基因工程、细胞工程2．培养基的配制：物质种类、比例、适宜的PH3．灭菌：去除杂菌，主要杀灭培养基中和发酵设备中的杂菌4．扩大培养和接种：菌种多次培养达到一定数量5．发酵过程：控制各种条件生产发酵产品菌体：用过滤、沉淀等方法6．产品的分离和纯化代谢产物：用蒸馏、萃取、离子交换等方法在医药工业方面：生产药品和基因工程药品三、发酵工程的应用在食品工业方面：生产传统发酵产品、食品添加剂、单细胞蛋白（菌体）等【同类题库】发酵工程的概念和内容（A：知道）．工业上利用谷氨酸棒状杆菌大量积累谷氨酸，应采用（C）A．加大葡萄糖的投放量 B．加大菌种的密度C．改变菌体细胞膜通透性 D．改变培养基碳源和氮源的比例．发酵是指（D）A．微生物的呼吸过程 B．一种微生物的繁殖过程C．微生物的新陈代谢 D．微生物产生代谢产物和菌体的过程．暴露在空气中，下列哪种微生物不能生存（D）A．酵母菌 B．真菌 C．放线菌 D．产甲烷杆菌．发酵过程中，用一定的转速搅拌，除能使菌种和发酵液充分接触提高原料利用率外，还能增加（D）A．放料速度 B．冷却水循环 C．进料速度 D．溶解氧．关于菌种的选育不正确的是（C）A．自然选育的菌种不经过人工处理 B．诱变育种的原理是基因突变C．通过有性杂交可以形成工程细胞 D．采用基因工程的方法可构建工程菌．有关谷氨酸发酵的叙述中，正确的是（B）A．发酵中要不断通入空气（无菌） B．培养条件不当将得不到所需要的产品C．搅拌的唯一目的是使空气成为小泡 D．冷却水可以使酶的活性下降．谷氨酸发酵过程中，如果环境条件控制不当，则可能使代谢产物成为乳酸，那么乳酸是下列哪种条件下的产物（D）A．PH值过小 B．PH值过大 C．溶氧过多 D．溶氧不足．当谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸时，发现产物中出现了谷氨酰胺，则应当加入（C）A．新培养基 B．缓冲液 C．碳酸氢钠 D．盐酸．在谷氨酸发酵过程中，必须不断地调整培养液的PH值，原因是（B）①谷氨酸发酵的最适PH值是7．0-8．0 ②在发酵过程中，培养液的PH值会发生变化③当PH呈酸性时，谷氨酸的产量会下降④不调节PH值，培养液中生成的谷氨酸会变成其他物质A．①②③ B．①②③④ C．①② D．①④．谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的培养基中，五大类营养要素物质不可缺少。
第三节 发酵工程简介
第三节发酵工程简介2004-10-25教学目的：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)。
教学重点：发酵工程的概念和内容。
教学难点：在发酵过程中，如何保证菌种生长和代谢的正常进行。
知识整理：1．发酵与发酵工程：发酵是；发酵工程是。
发酵工程是应用于发酵过程中的一种。
人在自然界中寻找所需要的菌种，然后利用、等手段加以改变，使其能够的优良菌种。
发酵工程所用的微生物一般都是，整个发酵过程不能混入其他微生物(称为杂菌)，一旦污染将导致，甚至。
所以培养基和发酵设备都必须是发酵的中心阶段。
根据各种微生物的生长特点，控制好发酵过程的各种条件，控制条件：、、、对提高产量是非常重要的。
分离提纯是制取发酵产品的不可缺少的阶段。
发酵工程生产的产品有两类：一类是；另一类是。
如产品是菌体可采用、等方法将菌体从培养基中分离出来。
如产品是代谢产物，可采用、、等方法进行提取。
实例——谷氨酸发酵常用菌种：、培养基：培养基原料：略发酵过程：发酵罐1．菌种选育：、、、等2．培养基的配制：根据，实践中需3．灭菌：和均需严格灭菌(杀死所有杂菌)4．扩大培养：大规模生产中需使5．接种：将菌种接种到培养基上(需防杂菌污染)6．发酵过程(中心阶段)：随时检测了解发酵进程，满足营养需要；严格控制、、、等7．分离纯化：菌体提取方法：、等，代谢产物提取：、、等(三)应用1。
医药工业：（1）（2）与、结合2．食品工业：(酒、醋等)、、例l 环境条件的变化会影响微生物的①生长繁殖②代谢途径③代谢产物④蛋白质含量A．①②③B．①④C③④D．①②③④例2发酵罐发酵的过程中，使温度升高的热量来源于①冷却水供应不足②微生物代谢旺盛③培养基不新鲜④搅拌⑤放料口排出产物A．①②③④⑤B．②③④C①④D．②④例3 有关谷氨酸发酵的叙述中正确的是A．发酵中要不断地通人空气B．培养条件不当将不能得到产品C．搅拌的惟一目的是使空气成为小泡D．冷却水可使酶活性下降例4．下图是发酵工程生产产品的流程简图。
发酵工程的概念和内容
灭菌
为什么要灭菌？
例子：青霉素生产过程中如果污染了杂菌， 这些杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素 分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经 过严格的灭菌。
请你归纳总结需要灭菌的原因。
发酵过程（一）
这是产品的产出阶段，你认为在这一阶段 该如何做呢？
提示： 1.影响微生物生长的因素。 2.如何延长微生物生长的稳定期。
发酵工程 的概念和内容
第五章第三节发酵工程简介
发酵工程的概念
请你从手段、原理、目的和过程来描述 “发酵工程”的概念。
采用现代工程技术手段，利用微生物的某 些特定功能，为人类生产有用的产品，或 者直接把微生物的某些特定功能，为人类 生产有用的产品。
发酵工程的内容
菌种的选育 培养基的配制 灭菌 扩大培养和接种 发酵过程 分离提纯
菌种的选育
如何获得优良的性状的菌种？
最初，在自然界中寻找菌种。 20世纪，紫外线、激光、化学诱变剂等
处理菌种 。 近几十年，应用细胞工程、基因工程等
方法，构建工程细胞或者工程菌 。
培养基的配制
请你回忆我们以前所学的培养剂的配 制原则。
值得注意的是：培养基的配方要经过 反复的实验才能确定。
发酵过程（二）
（1）要及时添加必需的培养基组分，以满 足菌种的营养需要，
（2）要严格控制温度、pH、溶氧、通气量 与转速等发酵条件。
例如，在谷氨酸发酵过程中，当pH呈酸性 时，谷氨酸棒状杆菌就会生成乙酰谷氨酰 胺；当溶氧不足时，生成的代谢产物就会 是乳酸或琥珀酸。
分离和提纯
产品不同，分离提纯的方法不同。
产品一类是代谢产物，采用过滤、沉 淀等方法将菌体从培养液中分离出来
发酵工程
2. 发发酵产物不同，分离提纯的方法会有所不 同，产物分离、提纯的一般方法是：
2. 举例：
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，以及 乙醇、醋酸等石化产品代替粮食来配制培养基。
3、灭菌
灭菌的原因：
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。
举例：
如果在谷氨酸发酵过程中混人放线菌，则 放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸 棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中 污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶， 将合成的青霉素分解掉。
4、扩大培养和接种
扩大培养：
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
接种：
有了用于生产的充足的菌体，在接种时要 注意什么事项呢？
接种过程中要注意防止杂菌污染
5、发酵过程
1. 发酵产物：
发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。
素。
四、发酵工程的应用
2. 在食品工业方面：
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) 发酵工程能生产各种食品添加剂。例如,
酸味剂：柠檬酸、乳酸等；鲜味剂：谷氨酸等；
色 素：β -胡萝卜素等； 甜味剂：高果糖浆等。 3) 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
发酵工程概论
二、发酵工程概况
发酵工程的发展的四个阶段 1、第一阶段 发酵理论的建立——巴斯德
2、第二个里程碑 以微生物的纯种培养技术为主要特征 ——丙 酮丁醇的制造
物。
菌种的筛选：
自然选育 诱变育种 基因工程育种
2、种子的扩大培养
种子扩大培养：是指将保藏菌种接入试 管斜面活化后，再经摇瓶到种子罐逐级 培养而获得的一定数量和质量被称为发 酵种子的纯种微生物的过程。
种子的扩大培养
（1） 菌丝进罐培养
（2） 孢子进罐培养3 Fra bibliotek生物的发酵过程
三、国外发酵工业的发展趋势
1，生物转化（或生物合成）技术成为国外著名化学 公司争夺的热点，并逐步从医药领域逐渐向化工领 域转移
2，生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一
3，利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环 境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要 趋势。
4，传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或 改良。许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、 青霉素等都已开始采用基因工程手段进行 改造，大大地提高了产量。在以基因工程 为主导的现代生物技术产品中，医药生物 技术产品占75％左右。
3、第三个阶段 以深层发酵青霉素为主要特征
4、第四个阶段 以引入基因工程，达到微生物定向育
种为主要特征。
三、发酵工程的内容和生产流程
现代发酵工程的主要内容包括：
工业生产菌株的选育 发酵条件的优化与控制 生物反应器的设计 发酵产物的分离、提取和精制
发酵工程简介
发酵工程的现状及发展前景
在发达国家，发酵工业的产值占国民 生产总值的5%。在医药产品中，发酵产品的 产值占20%。在医药、食品、化工、冶金、 资源、能源、环境等诸多领域有着广泛的应 用。
5.生物工程细胞的发酵，是指利用生物工 程技术所获得的细胞进行培养的新型发酵， 其产物多种多样。 初级代谢产物和次级代谢产物
在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、 核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖 所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。 在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具 有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、植物生长 因子等，这些产物与菌体的生长繁殖无明显关系， 叫做次级代谢产物。
二、微生物发酵过程
根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、 兼性厌氧），可以分为好氧性发酵、厌氧性发 酵和兼性发酵三大类： （1）好氧性发酵，如柠檬酸发酵，谷氨酸发 酵。 （2）厌氧性发酵，如乳酸发酵，丙酮、丁醇 发酵。 （3）兼性发酵，如酵母菌却氧条件下发酵生 产酒精，有氧条件下繁殖菌体。
（一）、工业生产常用微生物
2、发酵工艺控制
发酵过程中，为了能对生产过程进行 控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测 定或进行连续测量。对发酵影响较大的参数 有： （1）温度，影响酶活性，改变菌体代谢方 向。 （2）pH值，影响酶活性，影响细胞膜的通 透性。 （3）溶解氧浓度。
四、发酵设备
进行微生物深层培养的设备统称发酵罐。 优良的发酵装置应具有严密的结构，良好的 液体混合性能，较高的传质、传热速率，配 套的检测及控制仪表。
发酵工程简介
应用发酵工程的生产实例 谷氨酸发酵
（1）菌种：谷氨酸棒状杆菌或黄色短杆菌等 ）菌种： （2）培养基：液体培养基（原料：豆饼或马铃 ）培养基：液体培养基（原料： 薯等的水解液、玉米浆、尿素、 薯等的水解液、玉米浆、尿素、磷 酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、 酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物 素等） 发酵罐连续培养 （3）发酵过程 ） 控制条件：温度、PH、 控制条件：温度、PH、溶氧 量、搅拌 中和后，过滤、 （4）提取：用Na2CO3中和后，过滤、分离 ）提取：
思考
哪些因素会影响发酵过程中的温度？ 哪些因素会影响发酵过程中的温度？
温度升高: 微生物分解有机物释放的能量， 温度升高: 微生物分解有机物释放的能量， 一部分用于合成ATP ATP， 一部分用于合成ATP，另一部分散发到培养基中 会引起发酵温度升高； 时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一 部分热量引起温度升高。 部分热量引起温度升高。 温度降低:发酵罐壁散热， 温度降低:发酵罐壁散热，水分蒸发会带走部 分热量，使发酵温度降低。 分热量，使发酵温度降低。
进行以获得大量的酒精。 进行以获得大量的酒精。
扩大培养和接种
发酵过程：随时了解发酵进程， 发酵过程：随时了解发酵进程，及 时添加必需的培养基组分，严格控 时添加必需的培养基组分， 制温度、 、溶氧、 制温度、pH、溶氧、通气量与转速 等发酵条件。 等发酵条件。 分离提纯 菌体：用过滤、 菌体：用过滤、沉淀方法 代谢产物：用蒸馏、萃取、 代谢产物：用蒸馏、萃取、离子 交换等工程是指采用现代工程技术手段， 发酵工程是指采用现代工程技术手段，利 用微生物的某些特定功能 特定功能， 用微生物的某些特定功能，为人类生产有用 的产品， 的产品，或直接把微生物应用于工业生产过 程的一种新技术。 程的一种新技术。 发酵工程的内容包括菌种的选育、 发酵工程的内容包括菌种的选育、培养 基的配制、灭菌、扩大培养和接种、 基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过 程和产品的分离提纯等方面。 程和产品的分离提纯等方面。
第五章 发酵工程概述
含量
1g 10g 20g 200g
部位
肺 肠道 生殖道 总量
含量
20g 1000g 20 g 1271g
人体消化系统中微生物群体 ( 个/g)
回肠 结肠 直肠或粪便
双歧杆菌
拟杆菌 肠杆菌 肠球菌 乳杆菌
104
103 103 － －
107
108 106 107 －
1010
1010 106 － 104
第三节 在自然界中有目的微生物分离的原则
新种分离与筛选的步骤
• 定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长、培养 特性。 • 采样：有针对性地采集样品。 • 增殖：人为地通过控制养分或培条件，使所需菌种增殖 培养后，在数量上占优势。 • 分离：利用分离技术得到纯种。 • 发酵性能测定：进行生产性能测定。这些特性包括形态 、培养特征、营养要求、生理生化特性、发酵周期、产 品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵最适温度、 最适pH值、提取工艺等。
1、发酵原料的选择及预处理
2、微生物菌种的选育及扩大培养 3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种子扩大培 养和发酵采用不同的工艺。 4、发酵产物的分离提取
5、发酵废物的回收和利用
(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品
为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应
。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资 源的改造和更新。 (2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌 种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到
1．土样采集方法
森林、旱地，草地可先掘洞，由土壤下层向上层顺序采集；
水田等浸水土壤在不损土层结构的情况下插入圆筒采集。如果
层次要求不严格，可取离地面5～15cm处的土。将采集到的土
《 发酵工程 》优秀课程简介
《发酵工程》优秀课程简介
《发酵工程》是生物工程专业人才培养方案的的核心专业基础课程，总学时56学时。
课程教学内容全线贯通从微生物培养、发酵原材料处理、发酵过程参数控制和发酵产物提取的整个发酵生产过程，具有知识点多、涉及领域宽泛、基本框架稳定但知识更新发展迅速的特点。
课程教学的目的是让学生掌握工业发酵调控的基础理论与方法，能够运用该知识阐述微生物的代谢调节与发酵规律，解释影响发酵过程的各种因素，提高分析工业发酵过程的思维能力与计算能力，为今后的工艺课程学习奠定必要的基础。
2007年，《发酵工程》课程开始制定教学大纲和准备教案，任课教师开始认真备课，写出了完整的教案和授课计划。
《发酵工程》课程主要由韩颖副教授承担主讲任务，并负责团队青年教师的培养。
教学团队现有教师4人，是一支思想政治素质过硬、教学水平高、教科研能力较强，年龄、学历、职称结构比较合理的教师队伍。
该课程自2007年开始建设至今的6年中，教学内容、教学手段和方法等逐渐趋于完善和成熟。
根据该课程的基本特点，课程组教师经过多年的努力，基本形成了该门课程“教学—研究—实践三位一体，重视学生综合分析、策划能力培养”的特色。
到目前为止，听讲《发酵工程》课程的学生达到约270人。
听讲《发酵工程》课程的学生覆盖生物学院自成立以来的所有学生。
校内
督导组、听课学生及学院内教师对该课程教学团队教师的听课反馈均在良好以上。
发酵工程简介
2、配制培养基的营养物质应符合哪些要求？分 析教材(P93)中提供的培养基的配方，是否符合要求？ 培养基应满足微生物生长所需同要的碳源、氮 源、水、无机盐和生长因子等营养需求。 培养基： 碳 氮 源： 源： 培养液 豆饼的水解液、玉米浆 尿素 磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁
菌 体：过滤、沉淀 代谢产物：蒸馏、萃取、离子 交换
培养基配制
根据培养基的配制原则制备， 实践中需多次试验配方
发酵过程（中心阶段）
检测进程，满足营养需要； 严格控制温度、pH、溶氧、 转速等
灭菌
杀灭杂菌（胞体、孢子 及芽孢）
扩大培养和接种
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无机盐：
生长因子： 生长素
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3、为什么说“在实践中，培养基的配方要经过 反复的试验才能确定？ 因为不同菌咱所需要的营养物质和pH不同，另 外，同一菌种在不同的阶段（主要分生长阶段和代 谢产物积累阶段）所需要的营养物质和pH不同。 4、扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同？ 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 同彩的培养条件就有可能不同。如：在酒精发酵过 程中，扩大培养是为了促使酵母菌增殖，因此是在 有氧条件下进行，而在发酵产生酒精的过程中则必 须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。 需要更完整的资源请到 新世纪教
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五、例题分析
[例1]可以作为自养微生物氮源的是（ D ） A.N2、尿素 B.牛肉膏、蛋白胨 C.尿素、酵母粉 D.铵盐、硝酸盐 [例2]温度对发酵过程的影响，不正确的是（ B ） A.温度过高，发酵周期缩短，产量降低 B.温度不影响生物合成的途径 C.温度能影响菌种对营养物质的吸收 D.菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同
发酵工程简介
发酵过程
哪些条件能影响菌体的发酵呢？ 哪些条件能影响菌体的发酵呢？
–发酵生产中温度、pH、溶氧量、转 发酵生产中温度、pH、溶氧量、 速等对发酵过程有重大影响。 速等对发酵过程有重大影响。
环境中有哪些非生物因素可能影响谷氨酸 发酵？ 发酵？
–O2 –温度 30~37℃ 34~37℃ –PH 7.0~8.0 –无机盐 PO43- 浓度过高，则转为缬氨酸发 浓度过高， 酵
pH呈酸性：乙酰谷氨酰胺； pH呈酸性 乙酰谷氨酰胺； 呈酸性： 溶氧不足：乳酸或琥珀酸； 溶氧不足：乳酸或琥珀酸； 碳氮比的变化：3：1：利于菌体繁殖 比的变化： 利于谷氨酸生成； 4：1：利于谷氨酸生成；
分离、提纯 分离、
菌体本身， 菌体本身，如酵母菌和细菌等
– 采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分 采用过滤 沉淀等方法将菌体从培养液中分 过滤、 等方法将菌体 离出来
菌种
①谷氨酸产生菌的种类 谷氨酸棒状杆菌、 谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等 ②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？ 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？ 作为菌种呢？ –只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷 只有选择细胞膜通透较强， 氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大 量的谷氨酸。 量的谷氨酸。
扩大培养和接种
是否可以将所选择的优良谷氨酸棒状 杆菌直接加入发酵罐中？ 杆菌直接加入发酵罐中？
– 大规模的发酵生产需要大量的菌种，应 大规模的发酵生产需要大量的菌种 大量的菌种， 先经过多次扩大培养。 先经过多次扩大培养。 – 用于生产的菌种应选择处于对数期的谷 用于生产的菌种应选择处于对数期 对数期的谷 氨酸棒状杆菌 缩短生产周期。 – 这样可以缩短生产周期。 这样可以缩短生产周期
《发酵工程简介》
《发酵工程简介》古城高级中学李红云一、设计思想本着“STS”的理念和新课标“提高生物科学素养”、“注重与现实生活的联系”的理念，我选择了这一课题进行设计。
在教学中首先选择贴近学生生活的话题——“在纯牛奶和酸牛奶的选择中，更多的人愿意选择酸牛奶，这是为什么？”然后，将此话题转化为本节课要探讨的问题——什么是发酵？什么是发酵工程？发酵工程包括哪些主要内容？接着，学生在教师的协助下，利用教师制作的网站开始探讨这些问题。
问题的解决主要是通过研究两个应用发酵工程的生产实例——家庭酸奶的制作和味精厂的谷氨酸生产进行探讨。
之后，回到实际问题，分析某人做酸奶失败的原因。
启示同学：技术来源于生活，技术受科学指导，技术服务于生活。
最后，再通过网站简单了解另一个问题——发酵工程应用于哪些领域？明确发酵工程的实用价值。
二、教学分析1、教学内容分析本课题选自《全日制普通高级中学教科书（选修）》第五章第三节《发酵工程简介》，在大纲中要求层次为A，即对所学知识有大致印象。
在新课标中同样属于选修部分，但在《生物技术实践》模块和《生物科学与社会》模块中都有相关内容。
如在《生物技术实践》模块中有“尝试利用微生物进行发酵来生产特定的产物”，对学生的要求是在自学有关知识的基础上，在教师的指导下自己设计并进行实验，然后收集和整理资料，写出报告，进行口头交流，相互讨论；教师的主要任务不是详细讲解，而是给学生提供实验条件级必要的参考资料，直到学生进行设计和进行实验，参加和辅导学生的讨论。
在《生物科学与社会》模块中有“运用发酵食品加工的基本方法”，活动建议学生利用酒酵母由果汁制酒；设计并安装简单的生产果汁酒的装置；制作腐乳，并分析制作过程的科学原理及影响腐乳品质的条件。
本节内容在教材中的与第三章《基因工程》、第四章《细胞工程》、以及本章第四节选学的《酶工程》共同介绍了“生物工程”的完整内容，是选修本内容的重点内容。
同时，由于发酵工程在生物工程中的基础地位和实际生活中的广泛应用，需要学生对此有比较清晰的印象。
发酵工程(1-13章)
《发酵工程》Fermentation engineering 授课教师：张书祥（Email：zhangshux578@）第一章绪论第一节发酵工程的定义、特点、内容第二节发酵工程的发展历史第三节发酵工业的应用第四节发酵工程的发展趋势第一节发酵工程的定义、特点、内容1、定义1.1发酵工程：利用微生物的性状和机能，通过现代化工程技术，生产人们所需要产品的过程。
如抗生素、酒类、有机酸、基因工程药物等的生产。
发酵过程是以微生物反应为核心的，因此，发酵工程又被称为微生物工程。
1.2生物工程：生命科学应用于产业方面，称为生物工程学。
也就是利用生物体（生物作用剂：微生物、动物细胞、植物细胞等）的机能，通过现代化工程技术，生产人们所需要产品的过程。
生物工程包括：发酵工程、酶工程、基因工程、细胞工程。
发酵工程与生物工程的关系发酵工程是生物工程的重要组成部分，在生物工程中处于中心地位。
无论是从微生物得到酶或用基因工程菌获得产品都必须依赖发酵工程技术。
发酵工程的发展直接影响生物工程的进一步发展。
2、发酵工业的一般特点：2.1生产所用原料通常以淀粉、糖蜜等碳水化合物（可再生资源）为主，辅料包括一定的无机或有机氮源和少量无机盐。
2.2微生物生化反应过程能通过单一微生物代谢活动完成，因而产品在发酵设备中一次合成。
2.3微生物能利用简单的物质合成复杂的高分子化合物。
2.4由于生命体特有的反应机制，微生物能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导入等转化反应，从而获得某些具有一定经济价值的物质。
发酵工程与化学工程、生化工程的比较工业发酵的过程是依靠微生物细胞生命活动获得目的产物的过程，从根本上区别于化学合成工业和生化工业。
在工业化学过程中没有生物活性物质参与催化。
工业生化过程属于由酶催化的体外酶反应过程，酶具有生物活性。
当酶失活、辅酶耗尽，过程就停止了。
第三节、发酵工业的应用：发酵工程技术已给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力，解决了人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题。
食品生物技术--发酵工程
但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的，传统的改良菌 种的生物技术还仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域内。随着DNA
重组技术的出现和发展，这种情况发生了根本性的改变。
第二节 发酵设备与基本工艺过程
一、生物反应器
一个优良的培养装置应具有： 严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表
二、发酵工程的发展历史
1000多年（甚至4000多年）以前酒类的酿造； 19世纪利用酵母进行大规模发酵生产。大规模生产的发酵产品有乳酸、 酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物； 19世纪中叶，发明巴斯德灭菌法，找到了乳酸杆菌的生物体 ； 20世纪初，发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵。它是第一个进行大 规模工业生产的发酵过程，也是工业生产中首次采用大量纯培养技术的； 1929年Flemming爵士发现了青霉素，但无法提取精制 ； 1942年终于正式实现了青霉素的工业化生产，这是生物工程第一次划 时代的飞跃，生物技术核心的发酵技术已从昔日的以厌氧发酵为主的工 艺跃入深层通风发酵为主的工艺 ；
第五章 发酵工程与食品工程
第一节 第二节 第三节 第四节 发酵工程概述 发酵设备与基本工艺过程 发酵过程控制 发酵工程在食品工业中的应用
第一节 发酵工程概述
发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包 发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了 微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软 硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、 醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗 等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂 等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、 酶、维生素和单细胞蛋白等。
发酵工程
发酵工程第一节概述1、发酵工程：是将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来利用微生物(或其它生物细胞）的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。
2、什么是发酵？在工业微生物领域，把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。
（现在已扩展到培养动、植物细胞来制备产品）青霉素发酵生产：固体培养---液体深层培养3、发酵工业的地位：现代发酵工业已形成完整的工业体系；发酵工业已成为全球经济的重要组成部分。
4、发酵工程的内容：发酵工程的主体为利用微生物，特别是经DNA重组技术改造的微生物来生产有用物质。
目标：菌体生产；代谢产物；转化产物（微生物机能的利用）5、发酵的类型：（1）微生物菌体发酵：以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。
（2）微生物代谢产物发酵。
微生物代谢的类型：1初级代谢产物在微生物对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的物质。
2次级代谢产物在菌体生长静止期，某些菌体能合成在生长期中不能合成的、具有一些特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。
这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。
次级代谢与初级代谢并非独立的代谢途径，两者有密切的关系，初级代谢的中间体或产物往往是次级代谢的前体物或起始物。
（3）微生物转化发酵微生物转化就是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合化转变成结构相关的更有经济价值的产物。
生长细胞、静止营养细胞、孢子或干细胞均可进行转化反应。
（4）生物工程细胞的发酵指利用生物工程技术所获得的生物细胞，如DNA重组的“工程菌”，细胞融合所得到的“杂合细胞”以及动、植物细胞等，进行培养的新型发酵。
6、发酵方法：（1）表面培养法:微生物在基质表面上进行培养的方法. 劳动强度大、占地面积大、产量低、易污染，已被深层培养法所取代。
（2）深层培养法是以微生物细胞生长于液体培养基深层(好氧或厌氧)中进行培养的方法。
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第五章第三节发酵工程简介教学目标1．知识方面（1）发酵工程的概念（知道）。
（2）发酵工程中培养基的配制、菌种选育、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离、提纯等相关内容（知道）。
（3）有关发酵工程在医药工业和食品工业中应用的内容（知道）。
2．态度观念方面（1）通过学习发酵工程的有关内容，培养学生理论联系实际的科学态度。
（2）通过学习有关发酵工程在医药工业和食品工业中应用的知识激发学生学习生物学的兴趣，提高学生把所学知识转化为技术，并服务于社会的STS意识。
3．能力方面通过对发酵过程中菌种选育、发酵条件控制等相关内容的讨论，培养学生综合运用知识去解决实际问题的能力。
重点、难点分析1．教学重点：（1）通过对谷氨酸发酵实例的分析、讨论，使学生了解发酵工程的概念，了解菌种选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离、提纯等内容是本节的重点。
（2）让学生收集有关发酵工程应用的资料，并相互交流、讨论，使学生了解发酵工程在医药工业、食品工业中的应用知识也是本节的教学重点之一。
2．教学难点：有关发酵工程的内容是本节教学的难点，因为这些内容中涉及了细胞工程、基因工程、杂菌污染对发酵工业造成的危害以及发酵条件对菌种代谢途径的影响等多点知识，比较繁杂，学生较难理解。
教学模式启发讲解与学生讨论相结合。
教学手段谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的代谢途径及发酵的的示意图的投影片，影响谷氨酸代谢途径的因素表格及谷氨酸发酵所用培养基的成分的表格。
课时安排二课时。
设计思路1．前期知识准备：（1）复习有关谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径及其人工控制的内容。
（2）复习有关微生物群体生长的规律及影响微生物生长的环境因素的内容。
（3）复习有关微生物的营养、培养基、代谢产物等内容。
2．通过讨论谷氨酸发酵过程，使学生了解从菌种选育、培养基配制到产品生成等简要的发酵生产过程，了解发酵生产的主体设备发酵罐及其控制部分，并了解发酵工程的概念。
3．通过分析、讨论有关发酵过程的内容，使学生了解培养基的配制、菌种选育、灭菌、扩大培养接种、发酵过程和产品的分离、提纯等相关知识。
4．通过学生讨论、交流等活动，总结出发酵工程在医药工业和食品工业上的应用的知识。
第一课时一、设疑引出新课题前面我们学习了有关微生物的代谢的内容，我们知道了微生物的代谢是指微生物细胞内所发生的全部的化学反应。
在微生物的代谢过程中，会产生多种多样的代谢产物，如氨基酸、维生素、抗生素等。
而且，这些代谢产物又是我们人类所需要的。
那我们能不能通过微生物的培养来大量生产各种代谢产物呢？这就是我们今天所要讨论的“发酵工程”。
二、进行新课（一）介绍谷氨酸发酵的生产实例教师活动：出示谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径的投影片，指导学生观察并作适当讲解。
讨论后教师小结如下：从投影片我们可以看出，谷氨酸棒状杆菌在一定的条件下能够利用环境中的营养物质来合成谷氨酸。
下面我们就来看看在工厂里是怎样应用谷氨酸棒状杆菌来生产谷氨酸的。
提出问题：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？教师活动：以前面出示的投影片为依托组织学生就所提问题进行讨论。
讨论后教师小结：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的谷氨酸。
提出问题：有了菌种用什么样的培养基去培养呢？教师活动：通过复习有关培养基的知识，使学生理解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。
教师活动：出示谷氨酸发酵所需培养基的成分表格并指导学生观察、思考。
通过讨论使学生把培养基中的各种成分按照水、无机盐、氮源、碳源、生长因子的分类方法进行分类，进而得出这种培养基能满足谷氨酸棒状杆菌所需各种营养的结论。
提出问题：这种培养基从组成成分和物理性质上看属于哪种培养基？通过讨论得出结论：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。
提出问题并组织学生讨论：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？引导学生通过讨论得出以下结论：（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。
提出问题：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？教师活动：出示发酵罐的示意图，并对发酵罐的组成结构进行简单介绍。
通过介绍使学生了解发酵的主体设备由发酵罐及其控制部分构成。
提出问题：设备中的这些控制部分在生产过程中有什么用呢？教师启发讲解使学生了解：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。
提出问题并指导学生阅读教材中有关内容：在发酵罐中是怎样进行谷氨酸发酵生产的？师生共同总结出大致过程在以上总结的基础上使学生了解发酵工程的概念，即采用现代工程技术手段，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）深入讨论发酵工程的相关内容通过刚才的谷氨酸发酵的实例我们不难看出，发酵工程主要包括了菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等内容，对于发酵工程的这些内容我们应该注意些什么呢？1．菌种的选育：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。
提出问题：人们怎样才能得到优良的菌种呢？教师活动：启发学生以基因突变、基因工程、细胞工程的有关内容为依托就所提出的问题进行讨论。
通过讨论得出结论：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：要进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。
在配制培养基时应该注意哪些事情呢？教师活动：组织学生用以前学过的有关培养基的知识就所提问题进行讨论。
通过讨论引导学生从以下几方面去理解：（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：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？教师活动：组织学生讨论，通过讨论使学生认识到：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。
例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。
如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。
提出问题：那如何防止杂菌的污染呢？通过讨论得出结论：要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。
提出问题：怎样才算灭菌彻底呢？通过讨论得出结论：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：工业发酵要想在较短的时间内得到大量的发酵产物，这无疑需要大量的菌体。
如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期呢？这就需要经过多次的扩大培养。
提出问题：如何对菌种进行扩大培养呢？教师活动：出示细菌的生长曲线示意图，并依托曲线就所提问题组织学生讨论。
通过讨论得出结论：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。
提出问题：扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？通过讨论得出结论：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。
例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。
而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。
提出问题并组织学生讨论：有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注意什么事项呢？通过讨论得出结论：接种过程中要注意防止杂菌污染。
5．发酵过程：将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，是不是发酵生产就能顺利地进行呢？不是的！还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制。
这又是为什么呢？通过教师启发和学生讨论了解：发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。
因此，要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。
同时，还应对发酵条件进行严格控制。
提出问题：哪些条件能影响菌体的发酵呢？教师活动：让学生依据以前所学知识就所提问题展开讨论，并引导学生通过讨论得出结论：发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程有重大影响。
提出问题：发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？教师活动：出示影响谷氨酸代谢途径的因素表格，指导学生观察、分析，并组织学生就所提问题进行讨论。
通过讨论使学生认识到：发酵过程中氧的溶量、pH、磷酸盐等都能影响谷氨酸代谢途径，从而影响代谢产物的合成。
同时，随着代谢的进行，产热的增加、某营养物质的消耗，以及某些酸性和碱性物质的产生，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：提导学生阅读课本中相关内容，再通过讨论使学生了解：发酵产物不同分离提纯的方法会有所不同，并总结出产物分离、提纯的一般方法。
第二课时一、课前准备1．组织学生以“发酵工程的过去、现在与未来”为主题展开调查活动，收集有关发酵工程发展过程的资料，了解当今世界及本地区发酵工程的现状和发酵工程的最新进展。
了解发酵工业在世界及本地区的经济中的重要地位，展望发酵工业的未来前景。