高中生物发酵工程简介课件
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• 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？
– 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。
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
培养基的配制
• 有了菌种用什么样的培养基去培养呢？
– 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。
成分
酸碱度
豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸二 pH：7—8 氢钾、氧化钾、硫酸镁、生物素
灭菌
• 那如何防止杂菌的污染呢？
–要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭 菌处理。
• 怎样才算灭菌彻底呢？
–用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、 芽孢和孢子。
扩大培养和接种
• 如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩 短生产周期呢？
– 经过多次的扩大培养。
• 如何对菌种进行扩大培养呢？
– 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。
• 这种培养基从组成成分和物理性质上看属 于哪种培养基?
– 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。
问：为什么要用液体培养基和天然培养基？ 答 ：①能使营养物质在发酵过程中得到充分 的利用；
②还能为菌体提供更大的生存空间； ③有利于生产过程中条件的控制和产物 的提取。 ①能满足菌体的营养需要； ②能降低生产成本； ③能减少对环境的污染。
发酵过程
• 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？
–O2 –温度 30~37℃ 34~37℃ –PH 7.0~8.0 –无机盐 PO43- 浓度过高，则转为缬氨酸发酵
• pH呈酸性：乙酰谷氨酰胺； • 溶氧不足：乳酸或琥珀酸； • 碳氮比的变化：不足：a—酮戊二酸
多余：谷氨酰胺；
分离、提纯
• 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
• 菌体本身，如酵母菌和细菌等
– 采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
知识巩固
选取菌种
制备培养液 （灭菌）
发酵罐 控制发 生产氨 加工 酵条件 基酸等 提取
产品
（灭菌）
育种方法 原理 育种过程 优点 不足 实例 杂交育种 单倍体育种 多倍体育种 诱变育种 细胞工程育种 基因工程育种
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？
– 用于生产的菌种应选择处于对数期的谷氨酸棒 状杆菌
加料口 放料口 无菌空气入口 排气口 冷却水进口 冷却水出口 PH检测及控制装 置 搅拌器
发酵
• 发酵过程中应该注意控制好哪些条件？
–温度 –Ph –氧气
谷氨酸棒状杆 菌是好氧菌
• 培养过程中不断进行搅拌的目的是什么？
–搅拌有利溶氧，还能使培养液和菌种充分接触， 提高原料的利用率
发发酵酵工工程程的的应应用用范围
• 微生物菌体生产
– 如利用酵母制作面包、利用再生资源生产 饲料蛋白、利用微生物细胞作为生物催化 剂等
• 微生物代谢产物的生产
– 通常包括有机酸、氨基酸、核苷酸等初级 代谢产物和抗生素、维生素、激素、生物 碱、细胞毒素等次级代谢产物，以及各种 基因工程产品
• 微生物机能的利用
–（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。
灭菌
α-酮戊二酸
谷氨酸脱氢酶 抑制 NH4+
谷氨酸
在工厂里是 怎样应用谷氨酸 棒状杆菌来生产
谷氨酸的？
三、发酵工程内容
（1）菌种的选育（诱变育种、基因工程和细胞工程） （2）培养基的配制 （3）培养基和设备的灭菌 （4）扩大培养和接种
（5）发酵过程 中心阶段
•需严格控制温度、PH、溶氧、通气量与转速等 发酵条件
发
的 流 程 简 图
酵 工 程 生 产 产
品
发酵工程的应用
（一）在医药工业上的应用 1.生产出了种类繁多的药品 2.发酵工程对医药工业的一个重大贡献
– 应用发酵工程大量生产的基因工程药品，有人 生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆 抗体、白细胞介素—2、抗血友病因子等。
四、发酵工程的应用
• 应用特点 – 生产条件温和 – 原料来源丰富 – 价格低廉 – 产物专一 – 废弃物对环境污染小容易处理等
扩大培养和接种
• 扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？
–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
（6）产品的分离提纯 •菌体可采用过滤、沉淀等方法分离 •代谢产物可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法 提取
菌种
①、谷氨酸产生菌的种类 谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌
②、等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？
–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。
• 在医药工业上的应用 – 利用微生物工程生产药品 维生素、动物激素、药用氨基酸、核苷 酸、抗生素 – 基因工程与发酵工程结合 • 人的生长激素、生长激素释放抑制因 子、胰岛素 – 细胞工程与发酵工程结合 • 某些单抗
复合维生素片
• 在食品工业上的应用 – 生产传统的发酵产品 • 啤酒、醋等 – 生产各种食品添加剂 • 色素、甜味剂、酸味剂、鲜味剂等 – 单细胞蛋白 • 微生物菌体（富含蛋白质）
• 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。
发酵过程
• 将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还 需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进 行控制。这是为什么呢？
–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。
灭菌百度文库
• 配制好培养液后，是否可以立即加入菌种？
不能
需要进行灭菌
将培养液投放
到发酵罐中，通
入98kPa的蒸汽
进行灭菌
• 为什么要杀菌？如何灭菌算彻底？
防止杂菌污染，对发酵过程造成不良影响； 杀死所有杂菌的细胞体、芽孢和孢子
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？
– 大规模的发酵生产需要大量的菌种，应先经过 多次扩大培养。这样可以缩短生产周期。
– 如在治理环境污染中用微生物对有毒化 合物和高分子化合物的分解净化、石油 探矿和开采、细菌冶金、有机废弃物的 综合治理、海洋和宇宙的开发等
生物工程各分支领域的关系
生物工程的上游工程： 基因工程、细胞工程 按照人的要求改造物种，获得工程均获工
程细胞 生物工程的下游工程：
发酵工程、酶工程 基因工程、细胞工程产业化 基因工程、细胞工程、发酵工程中需要的酶大 多通过酶工程获得；酶工程中酶的生产一般 通过微生物发酵的方法获得。
菌种的选育
• 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。
怎样才能得到优
良的菌种呢？
•如果生产的是微生物直接合 成的产物
•如果生产的是一般微生物不能 合成的产品
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。
• 1857年巴斯德证明发酵是 由于微生物的作用
密闭式发酵罐
二、发酵工程的生产实例
谷氨酸 是味精 的主要 成分
生产谷 氨酸可 以采用 哪些方 法？
传统生产方式
蛋白质水解
植物蛋白 酸 氨基酸
现代生产方式 微生物发酵
？
两种生产方式有什么不同？
谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径
葡萄糖 中间产物
• 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。
一、发酵工程的概念
指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。
微生物学的奠基人——伟大的巴斯德
• 我国的传统发酵产品酱油、 醋、腐乳等享誉世界
• 我国的酿酒已经有4000多 年的历史
• 我国的酱油距今已有3000 年的历史
– 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。
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
培养基的配制
• 有了菌种用什么样的培养基去培养呢？
– 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。
成分
酸碱度
豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸二 pH：7—8 氢钾、氧化钾、硫酸镁、生物素
灭菌
• 那如何防止杂菌的污染呢？
–要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭 菌处理。
• 怎样才算灭菌彻底呢？
–用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、 芽孢和孢子。
扩大培养和接种
• 如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩 短生产周期呢？
– 经过多次的扩大培养。
• 如何对菌种进行扩大培养呢？
– 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。
• 这种培养基从组成成分和物理性质上看属 于哪种培养基?
– 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。
问：为什么要用液体培养基和天然培养基？ 答 ：①能使营养物质在发酵过程中得到充分 的利用；
②还能为菌体提供更大的生存空间； ③有利于生产过程中条件的控制和产物 的提取。 ①能满足菌体的营养需要； ②能降低生产成本； ③能减少对环境的污染。
发酵过程
• 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？
–O2 –温度 30~37℃ 34~37℃ –PH 7.0~8.0 –无机盐 PO43- 浓度过高，则转为缬氨酸发酵
• pH呈酸性：乙酰谷氨酰胺； • 溶氧不足：乳酸或琥珀酸； • 碳氮比的变化：不足：a—酮戊二酸
多余：谷氨酰胺；
分离、提纯
• 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
• 菌体本身，如酵母菌和细菌等
– 采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
知识巩固
选取菌种
制备培养液 （灭菌）
发酵罐 控制发 生产氨 加工 酵条件 基酸等 提取
产品
（灭菌）
育种方法 原理 育种过程 优点 不足 实例 杂交育种 单倍体育种 多倍体育种 诱变育种 细胞工程育种 基因工程育种
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？
– 用于生产的菌种应选择处于对数期的谷氨酸棒 状杆菌
加料口 放料口 无菌空气入口 排气口 冷却水进口 冷却水出口 PH检测及控制装 置 搅拌器
发酵
• 发酵过程中应该注意控制好哪些条件？
–温度 –Ph –氧气
谷氨酸棒状杆 菌是好氧菌
• 培养过程中不断进行搅拌的目的是什么？
–搅拌有利溶氧，还能使培养液和菌种充分接触， 提高原料的利用率
发发酵酵工工程程的的应应用用范围
• 微生物菌体生产
– 如利用酵母制作面包、利用再生资源生产 饲料蛋白、利用微生物细胞作为生物催化 剂等
• 微生物代谢产物的生产
– 通常包括有机酸、氨基酸、核苷酸等初级 代谢产物和抗生素、维生素、激素、生物 碱、细胞毒素等次级代谢产物，以及各种 基因工程产品
• 微生物机能的利用
–（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。
灭菌
α-酮戊二酸
谷氨酸脱氢酶 抑制 NH4+
谷氨酸
在工厂里是 怎样应用谷氨酸 棒状杆菌来生产
谷氨酸的？
三、发酵工程内容
（1）菌种的选育（诱变育种、基因工程和细胞工程） （2）培养基的配制 （3）培养基和设备的灭菌 （4）扩大培养和接种
（5）发酵过程 中心阶段
•需严格控制温度、PH、溶氧、通气量与转速等 发酵条件
发
的 流 程 简 图
酵 工 程 生 产 产
品
发酵工程的应用
（一）在医药工业上的应用 1.生产出了种类繁多的药品 2.发酵工程对医药工业的一个重大贡献
– 应用发酵工程大量生产的基因工程药品，有人 生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆 抗体、白细胞介素—2、抗血友病因子等。
四、发酵工程的应用
• 应用特点 – 生产条件温和 – 原料来源丰富 – 价格低廉 – 产物专一 – 废弃物对环境污染小容易处理等
扩大培养和接种
• 扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？
–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
（6）产品的分离提纯 •菌体可采用过滤、沉淀等方法分离 •代谢产物可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法 提取
菌种
①、谷氨酸产生菌的种类 谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌
②、等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？
–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。
• 在医药工业上的应用 – 利用微生物工程生产药品 维生素、动物激素、药用氨基酸、核苷 酸、抗生素 – 基因工程与发酵工程结合 • 人的生长激素、生长激素释放抑制因 子、胰岛素 – 细胞工程与发酵工程结合 • 某些单抗
复合维生素片
• 在食品工业上的应用 – 生产传统的发酵产品 • 啤酒、醋等 – 生产各种食品添加剂 • 色素、甜味剂、酸味剂、鲜味剂等 – 单细胞蛋白 • 微生物菌体（富含蛋白质）
• 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。
发酵过程
• 将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还 需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进 行控制。这是为什么呢？
–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。
灭菌百度文库
• 配制好培养液后，是否可以立即加入菌种？
不能
需要进行灭菌
将培养液投放
到发酵罐中，通
入98kPa的蒸汽
进行灭菌
• 为什么要杀菌？如何灭菌算彻底？
防止杂菌污染，对发酵过程造成不良影响； 杀死所有杂菌的细胞体、芽孢和孢子
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？
– 大规模的发酵生产需要大量的菌种，应先经过 多次扩大培养。这样可以缩短生产周期。
– 如在治理环境污染中用微生物对有毒化 合物和高分子化合物的分解净化、石油 探矿和开采、细菌冶金、有机废弃物的 综合治理、海洋和宇宙的开发等
生物工程各分支领域的关系
生物工程的上游工程： 基因工程、细胞工程 按照人的要求改造物种，获得工程均获工
程细胞 生物工程的下游工程：
发酵工程、酶工程 基因工程、细胞工程产业化 基因工程、细胞工程、发酵工程中需要的酶大 多通过酶工程获得；酶工程中酶的生产一般 通过微生物发酵的方法获得。
菌种的选育
• 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。
怎样才能得到优
良的菌种呢？
•如果生产的是微生物直接合 成的产物
•如果生产的是一般微生物不能 合成的产品
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。
• 1857年巴斯德证明发酵是 由于微生物的作用
密闭式发酵罐
二、发酵工程的生产实例
谷氨酸 是味精 的主要 成分
生产谷 氨酸可 以采用 哪些方 法？
传统生产方式
蛋白质水解
植物蛋白 酸 氨基酸
现代生产方式 微生物发酵
？
两种生产方式有什么不同？
谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径
葡萄糖 中间产物
• 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。
一、发酵工程的概念
指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。
微生物学的奠基人——伟大的巴斯德
• 我国的传统发酵产品酱油、 醋、腐乳等享誉世界
• 我国的酿酒已经有4000多 年的历史
• 我国的酱油距今已有3000 年的历史