第节-微生物发酵及其应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,3,章生物科学与工业,第,1,节微生物发酵及其应用,基础自主梳理,核心要点突破,课标领航,知能过关演练,第,1,节,课标领航,1,微生物发酵生产的基本过程。,2,举例说出微生物发酵与食品生产的关系。,情景导引,“,何以解忧，惟有杜康,”,，悠久的中华文化，可以说也是酒的文化，,“,无酒不成席,”,的传统依然影响着我们。你知道酒的生产流程吗？在生产中用到哪些微生物？,基础自主梳理,1,1857,年，法国微生物学家巴斯德通过实验证明，酒精发酵是由活的,_,引起的。,2,1897,年，德国的毕希纳进一步发现了,_,在酵母发酵中的作用。,3,20,世纪,30,年代，传统发酵工业生产酒精、乳酸、面包酵母、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。,酵母,酶,4,20,世纪,40,年代，大规模生产青霉素、链霉素、金霉素、土霉素等，抗生素工业兴起。,5,20,世纪,50,年代以后，氨基酸发酵工业、酶制剂工业、多糖和维生素发酵工业规模不断扩大。,6,20,世纪,70,年代，具有特殊生产能力的基因工程菌发酵产生胰岛素、生长激素等。,二、发酵生产过程探秘,1,发酵：是利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的,_,转化为人类所需要的产物的过程。,2,原理：不同微生物的代谢途径不同，生产的,_,也不同。例如：谷氨酸棒状杆菌发酵生产,_,；黄色短杆菌发酵生产,_,。,代谢途径,代谢产物,味精,赖氨酸,3,发酵过程,(1),选育菌种：可采用自然界选种、,_,育种、,_,育种等。,(2),配制培养基：根据微生物的营养需要提供,_,、氮源、生长因子、无机盐和水。,(3),灭菌：培养基和发酵设备均需严格灭菌。利用,_,发酵。,(4),扩大培养和接种：大规模生产中需要使,_,达到一定数量；将菌种接种到培养基上，接种时防止杂菌污染。,诱变,基因工程,碳源,单一菌种,菌种,(5),发酵罐内发酵：要随时检测发酵进程，要及时满足营养需要，还要严格控制,_,、,pH,、溶解氧等发酵条件。,(6),分离、提纯产物：如果产品是菌体，可采用,_,、沉淀等方法；如果产品是,_,，可采用提取、,_,和纯化措施来获得产品。,4,发酵工程的应用,(1),生产日常食品：如馒头、面包、腐乳、泡菜、葡萄酒等。,(2),生产食品添加剂：味精、醋、酱油等。,温度,过滤,代谢产物,分离,核心要点突破,发酵生产过程探秘,要点一,1,发酵的概念,发酵是利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。,2,好氧微生物发酵生产的流程图及其分析说明,(1),选育菌种,根据微生物遗传变异的特点，人们在生产实践中已经试验出一套行之有效的微生物育种方法。主要包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等。下面着重介绍自然选育和诱变育种。,自然选育,在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变，从而选育出优良菌种的过程，叫做自然选育。菌种的自发突变往往存有两种可能性：一种是菌种衰退，生产性能下降；另一种是代谢更加旺盛，生产性能提高。具有实践经验和善于观察的工作人员，就能利用自发突变而出现的菌种性状的变化，选育出优良菌种。例如，在谷氨酸发酵过程中，人们从被噬菌体污染的发酵液中分离出了抗噬菌体的菌种。又如，在抗生素发酵生产中，从某一批次高产的发酵液取样进行分离，往往能够得到较稳定的高产菌株。,但自发突变的频率较低，出现优良性状的可能较小，需坚持相当长的时间才能收到效果。,诱变育种,诱变育种是指用人工的方法处理微生物，使它们发生突变，再从中筛选出符合要求的突变菌株，供生产和科学实验用。诱变育种与其他育种方法相比，具有操作简便、速度快和收效大的优点，至今仍是一种重要的、广泛应用的微生物育种方法。诱变育种包括出发菌种选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。,出发菌种是指用于诱变的原始菌种。出发菌种可以是从自然界的土样或水样中分离出来的野生型菌种；也可以是生产中正在使用的菌种；还可以从菌种保藏机构中购买。选择的原则是要求菌种诱变剂的敏感性强、变异幅度大、产量高。,为了使菌体与诱变剂均匀接触，通常要将出发菌种制成细胞,(,或孢子,),悬浮液，再进行诱变处理。诱变剂有物理诱变剂,(,如紫外线、,X,射线、,射线、快中子,),、化学诱变剂,(,如亚硝酸、硫酸二乙酯、氮芥,),等。在生产实践上，选用哪种诱变剂、剂量大小、处理时间等，都要视具体的情况和条件，并经过预备实验后才能确定。,菌种经诱变处理后，会产生各种各样的突变类型。如何从中挑选出所需要的突变类型呢？一般要经过初筛和复筛两个阶段。下面以青霉素菌产生高产突变菌种的筛选为例说明。将经诱变处理的菌液按一定浓度稀释后，涂布在平板培养基上。培养后，将单个菌落挑到斜面培养基上，经培养后，再将斜面上的菌落逐个接种到摇瓶中，振荡培养后测它们的抗生素效价。,这就是初筛，初筛中所得到的超过对照效价,10%,以上的菌种，再进行复筛。复筛的过程与初筛基本相同，不同的是一般将斜面上的单个菌落接种到三个摇瓶中，得出平均效价。复筛可进行,1,3,次。由此筛选出的高产稳定菌种还要经过小型甚至中型试验，才能用到发酵生产中。,(3),配制培养基,在菌种确定之后，要根据培养基的配制原则，选择原料制备培养基。由于培养基的组成对菌种有多方面的影响，因此，在生产实践中，培养基的配方要经过反复的实验才能确定。,(4),灭菌,现代发酵工业绝大多数采用单一菌种发酵，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌，并进行无菌操作，一般采用高压蒸汽灭菌法。,(5),接种,将多次扩大培养后的菌种接入工业发酵罐中，菌种体积与发酵罐体积比约为,1,10,。,(6),发酵罐内发酵,发酵过程中要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，以满足微生物的营养需求。同时，要严格控制温度、,pH,、溶解氧等发酵条件。这是因为环境条件的变化，不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢产物的形成。,(7),分离、提纯产物,将发酵液中的发酵产物进行分离纯化，是制取发酵产品不可缺少的阶段。产品不同，分离提纯的方法也不同。如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离、干燥即可得到产品。如果产品是代谢产物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。,如图是发酵工程生产产品的流程图。据图回答：,例,1,(1),能生产人生长激素的工程菌是通过,培养的，,是,_,；高产青霉素菌种是通过,培育的，,是,_,；,是,_,。,(2),表示,_,，,表示,_,。,(3),整个过程的中心阶段是发酵，在此阶段需随时取样、检测,_,等，以了解发酵进程，还要及时添加,_,，同时严格控制,_,。,(4),若,是单细胞蛋白的话，,是,_,。氨基酸、维生素属,中的,_,产物。,【,尝试解答,】,(1),基因工程诱变育种细胞工程,(2),接种灭菌,(3),细菌数目和产物浓度培养基发酵条件,(,溶氧、温度、,pH,、通气量、转速,),(4),微生物菌体初级代谢,【,解析,】,本题考查了发酵工程过程的一些基础知识，可结合上图发酵工程生产产品的流程简图及有关基础知识分析回答。,跟踪训练,关于发酵过程的说法，不正确的是,(,),A,培养基灭菌是发酵生产中的一个很重要的环节,B,随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以控制，才能保证发酵的正常进行,C,在发酵过程中，要严格控制温度、,pH,、溶氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢产物的形成,D,发酵产品的分离方法是共同的,解析：,选,D,。不同的发酵产品其分离方法各不相同，有的需要过滤、沉淀，而有的则需要进行蒸馏、萃取或离子交换。,1,温度,温度对微生物的影响是多方面的。首先，温度影响酶的活性。在最适温度范围内，随着温度的升高，菌体生长和代谢加快，发酵反应的速率加快。当超过最适温度范围以后，随着温度的升高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期缩短，产量降低。,影响发酵过程的主要因素,要点二,温度也能影响生物合成的途径。例如，金色链霉菌在,30,以下时，合成金霉素的能力较强，但当温度超过,35,时，则只合成四环素而不合成金霉素。此外，温度还会影响发酵液的物理性质，以及菌种对营养物质的分解吸收等。因此，要保证正常的发酵过程，就需维持最适温度。但菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同，如灰色链霉菌的最适生长温度是,37,，但产生抗生素的最适温度是,28,。通常，必须通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最适温度，采取分段控制。,2,pH,pH,能够影响酶的活性以及细胞膜的带电荷状况。细胞膜的带电荷状况如果发生变化，膜的透性也会改变，从而有可能影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的分泌。此外，,pH,还会影响培养基中营养物质的分解等，因此，应控制发酵液的,pH,。但不同菌种生长阶段和合成产物阶段的最适,pH,往往不同，需要分别加以控制。,在发酵过程中，随着菌体对营养物质的利用和代谢产物的积累，发酵液的,pH,必然会发生变化。如当尿素被分解时，发酵液中的,NH,浓度就会上升，,pH,也随之上升。在工业生产上，常采用在发酵液中添加维持,pH,的缓冲系统，或通过中间补加氨水、尿素、碳酸铵或碳酸钙来控制,pH,。目前，国内已研制出检测发酵过程的,pH,电极用于连续测定和记录,pH,变化，并由,pH,控制器调节酸、碱的加入量。,3,溶解氧,氧的供应对需氧发酵来说，是一个关键因素。从葡萄糖氧化的需氧量来看，,1 mol,的葡萄糖彻底氧化分解，需,6 mol,的氧；当糖用于合成代谢产物时，,1 mol,葡萄糖约需,1.9 mol,的氧。因此，好氧型微生物对氧的需要量是很大的，但在发酵过程中，菌种只能利用发酵液中的溶解氧，然而氧很难溶于水。,在,101.32 kPa,、,25,时，氧在水中的溶解度为,0.26 mmol/L,。在同样条件下，氧在发酵液中的溶解度仅为,0.20 mmol/L,，而且随着温度的升高，溶解度还会下降。因此，必须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解度。,4,泡沫,在发酵过程中，通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫。发酵过程中产生一定数量的泡沫是正常现象，但过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常，因而必须消除泡沫。常用的消除泡沫措施有两类：一类是安装消泡沫挡板，通过强烈的机械振荡，促使泡沫破裂；另一类是使用消泡沫剂。,5,营养物质的浓度,发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。如在谷氨酸发酵中，,NH,浓度的变化，会影响代谢途径。因此，在发酵过程中，也应根据具体情况进行控制。,下图表示发酵罐中各种因素对谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸的影响，其中不正确的是,(,),例,2,【,尝试解答,】,C,【,解析,】,解该题的正确分析过程为：,(1),温度可以通过影响酶的活性来改变谷氨酸的产生速率，在最适温度时产生速率最大，高于或低于该点都会使活性降低,(,甚至丧失,),。同理，,pH,对谷氨酸产生速率的影响也是这样的，因而,A,、,D,都正确；,(2),谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，随着溶氧量的增加,(,一定范围内,),，谷氨酸会随着该菌生长繁殖速率的加快使产生速率增加，但当溶氧量增大到一定值时由于受其他条件,(,发酵的数量与活性等,),的限制不可能继续增加而达到最大产生速率，所以,B,是正确的；,(3),谷氨酸产生速率随时间的变化在最初阶段可能不断加快，当活菌数目达到最多,(,稳定期,),时其产生总量会继续增加，而产生速率则不再有明显加快的现象，即,C,不正确。,【,探规寻律,】,微生物的呼吸作用产生微生物生命活动所必需的能量,ATP,，同时也释放了大量的热能，使发酵罐温度升高，再就是搅拌器不断地搅拌摩擦生热。发酵过程应该控制温度、,pH,、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等。,跟踪训练,发酵罐发酵过程中，使温度升高的热量来源于,(,),冷却水供应不足,微生物代谢,培养基不新鲜,搅拌,放料口排出产物,A,B,C,D,解析：,选,D,。首先从题目要求来分析，要求找出使发酵罐温度升高的热量来源，其来源有两个：一是微生物代谢产生的,(,呼吸作用,),热量；二是搅拌器不断地搅拌产生的热量。散热的途径主要是冷却水。,