【生物】微生物的选择培养和发酵工程及其应用课件 2023—2024学年高二下人教版选择性必修3.pptx
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1、第1章 发酵工程第3节发酵工程及其应用从传统发酵技术到发酵工程从传统发酵技术到发酵工程科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用,之后微生物的分离和纯化技术得到了应用。18971897年年用微生物生产谷氨酸获得成功,酶制剂、多糖、维生素发酵工业兴起。19571957年年科学家开始运用数学、动力学、化学工程原理以及计算机技术对发酵过程进行综合研究。2020世纪世纪8080年代以后年代以后法国微生物学家巴斯德通过实验证明酒精发酵是由活的酵母菌引起的,从而将酵母菌与发酵联系起来。18571857年年利用发酵工程大规模生产青霉素,随着链霉素、金霉素和土霉素等抗生素的发现及生产,抗生素发酵工业兴起。2020世纪
2、世纪4040年代年代基因工程。细胞工程等发展,人胰岛素和干扰素大量生产。2020世纪世纪7070年代以后年代以后190019001940194019601960185018501980198019701970约约90009000年前年前我们祖先就会利用微生物将谷物、水果发酵为含酒精的饮料。对发酵原理的认识微生物纯培养技术的建立密闭式发酵罐的成功设计大规模生产发酵产品发酵工程目录CONTENTS发酵工程的应用2/发酵工程的基本环节1/101发酵工程的基本环节一发酵工程的基本环节接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品发酵工程的基本环节一般包括:P23-24有没有熟悉的
3、环节?接种选育菌种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品(1 1)目的:)目的:获得获得 。性状优良的菌种性状优良的菌种(2)优良菌种特点:问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?P23第一,应选择高产的菌种,使菌种的发酵产物中,需要的产物多,不需要的产物少;第二,培养基来源充足且廉价,被转化的效率高;第三,菌种发酵产物易于分离;第四,菌种对环境没有明显或潜在的危害;第五,菌种的遗传特性和生产能力稳定;第五,菌种的遗传特性和生产能力稳定;接种选育菌种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品(4 4)实例)实例 生产生产
4、柠檬酸柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉。使用基因工需要筛选产酸量高的黑曲霉。使用基因工程改造的程改造的啤酒酵母啤酒酵母,加速发酵过程、缩短生产周期加速发酵过程、缩短生产周期。自然界中筛选自然界中筛选诱变育种诱变育种基因工程育种基因工程育种(3 3)菌种来源)菌种来源 、_或或 。问2.在青霉素的发酵生产过程中,人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料,并发挥想象力,提出解决这些问题的思路。(1)青霉素发酵是高耗氧过程,如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢?(提示:血红蛋白具有携带O2的能力)P28可以用基因工程的方法,将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。
5、接种选育菌种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品问2.在青霉素的发酵生产过程中,人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料,并发挥想象力,提出解决这些问题的思路。(1)青霉素发酵是高耗氧过程,如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢?(提示:血红蛋白具有携带O2的能力)P28(2)在发酵过程中,总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现,在青霉素与头孢霉素的合成过程中,它们有一个共同的前体,这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素,或者只产生头孢霉素呢?可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶
6、的基因,从而使青霉素生产菌只生产一种产物。1接种选育菌种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品(5 5)菌种选育的重要性(意义)菌种选育的重要性(意义)菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。败。接种选育菌种配制培养基扩大培养扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米,接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以,在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养,再进行培养。1.目的:增加菌种数量,缩短生产周期2.原因:3.菌种扩大培养的最佳时期:将培养到生长速度最快时期的菌体分开
7、,再进行培养。接种选育菌种配制培养基扩大培养扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品问题问题2:2:扩大培养所用的培养基,从性质上分类,是什么扩大培养所用的培养基,从性质上分类,是什么类型的培养基?类型的培养基?为什么用该类型培养基?为什么用该类型培养基?发酵工程一般使用液体培养基 液体使微生物与营养物质接触更充液体使微生物与营养物质接触更充分,提高营养物质的利用率,分,提高营养物质的利用率,利于微生利于微生物的繁殖物的繁殖。接种选育菌种配制培养基配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品在菌种确定之后,需选择原料制备培养基。(1)配置培养基要遵循的原则:即营养物质满足微生
8、物的需要,营养物质的浓度及配比恰当,物理、化学条件适宜等。配置的培养基应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求。配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。(即不断优化培养基)发酵培养基要求菌种能大量生产目的产物,所用原料廉价且易于获得。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品1.灭菌操作:在发酵之前必须采用高压蒸汽对大型发酵罐、培养基和附属设备进行灭菌。2.原因:发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种单一菌种。一旦有杂菌污染,可能导致产量大幅下降产量大幅下降。例如,在青霉素生产过程中如果污染了杂菌,某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。3.产量大幅
9、下降原因:杂菌与菌种之间形成的种间竞争关系种间竞争关系使产量下降;杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长代谢物抑制菌种的生长使产量下降。接种接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品将_的菌种投放到_中发酵罐扩大培养后电动机电动机D1D1排气管排气管C3C3pHpH计计B3B3冷却水排出口冷却水排出口C2C2冷却夹层冷却夹层发酵液发酵液搅拌叶轮搅拌叶轮D2D2生物传感生物传感器装置器装置B4B4空气入口空气入口A4A4放料管放料管A2A2A3A3阀门阀门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
10、和控制装置和控制装置C1C1冷却水进入口冷却水进入口装置编号装置编号主要用途主要用途 A1-A3 A1-A3 A4 A4 B1-B5 B1-B5 C1 C1、C2C2 C3 C3 D1 D1、D2D2控制控制培养物以一定培养物以一定速度速度进入、流进入、流出发酵罐,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、仪器检测等监监控发酵条件以及发酵过程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调节罐温控制冷水流速调节罐温调节罐压调节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,使微生物与发酵液
11、微生物与发酵液混合均匀混合均匀,加快加快氧气溶解以及散热氧气溶解以及散热接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品(1 1)地位)地位 发酵罐内发酵是发酵工程的发酵罐内发酵是发酵工程的 。(2 2)要求)要求发酵过程中,要发酵过程中,要_培养液中培养液中_、_等,以等,以_;要及时添加要及时添加 ,要严格控制,要严格控制_、_和和_等发酵条件。等发酵条件。随时检测随时检测中心环节中心环节微生物数量微生物数量产物浓度产物浓度了解发酵进程了解发酵进程必需的营养组分必需的营养组分温度温度pHpH溶解氧溶解氧接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵发酵罐内发
12、酵分离、提纯产物获得产品(3 3)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影响微生物的生长繁殖,而且环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖,而且影响微生物代谢物的形成;影响微生物代谢物的形成;严格控制发酵条件,严格控制发酵条件,有利于使发酵全过程处于最佳状态有利于使发酵全过程处于最佳状态(4 4)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 条件下会积累条件下会积累谷氨酸谷氨酸;在在 条件下则容易生成条件下则容易生成谷氨酰胺和谷氨酰胺和N N-乙酰谷乙酰谷胺酰胺胺酰胺。中性中性弱碱性弱碱性酸性酸性谷氨酸发酵常用菌种为谷氨酸发酵常用菌种为谷氨酸棒状
13、杆菌谷氨酸棒状杆菌。谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型异养需氧型,其与有氧呼吸有,其与有氧呼吸有关的关的酶酶主要存在于主要存在于细胞膜细胞膜上。上。C:NC:N的数值也会影响谷氨酸发酵过程:的数值也会影响谷氨酸发酵过程:C:N=4:1C:N=4:1时,菌体大量繁殖,谷氨酸产生量较少;时,菌体大量繁殖,谷氨酸产生量较少;C:N=3:1C:N=3:1时,菌体繁殖受抑制,谷氨酸产生量较多。时,菌体繁殖受抑制,谷氨酸产生量较多。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品(5 5)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
14、点均有均有 ,能对发酵过程中的温度、,能对发酵过程中的温度、pHpH、溶、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行 和和 ,还可以进行,还可以进行 ,使发酵全过程处于,使发酵全过程处于_。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问3:引起发酵罐内培养液的温度和pH变化的原因有哪些?温度:原因:微生物分解有机物释放的能量,机械搅拌也会引起温度升高。方法:常用冷却水进行温度的调节问4:发酵工程中如何调节温度和pH?pH:原因:培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。方法:是在培养基中添加缓冲液,在发酵过程中加酸或碱接
15、种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物分离、提纯产物获得产品(1 1)目的:)目的:。(2 2)产品的两种形式)产品的两种形式 _;_。(3 3)采取手段)采取手段如果发酵产品是微生物细胞本身,可在发酵结束之后,采用如果发酵产品是微生物细胞本身,可在发酵结束之后,采用_、_等方法将菌体等方法将菌体_和和_,即可得到产品。,即可得到产品。如果发酵产品是代谢物,可如果发酵产品是代谢物,可 采取采取_的的_、_和和_措施来获得产品。措施来获得产品。微生物细胞本身微生物细胞本身获得产品获得产品代谢物代谢物过滤过滤沉淀沉淀分离分离干燥干燥根据产物的性质根据产物的性质适当适当提取提取分
16、离分离纯化纯化接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物分离、提纯产物获得产品问5:发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境,需如何处理?P23为了减少或避免污染物的产生和排放,二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。问6:在产物分离和提纯方面,发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处?P23发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段,常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法;在进一步纯化阶段,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物还是菌体本身,都需要进行质量检查,合格后才能成为正式产品。传统发酵技术获得的产物一般不是单
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