1.3发酵工程及其应用课件2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

1.3发酵工程及其应用 1 发酵工程的基本环节 发酵工程的应用 1 目录 2 2 从社会中来 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素,它的价格贵如金随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等,青霉素步入了产业化生产的道路如今,1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。 那么,在工业上,青霉素究竟是怎样生产的呢? 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 3 1 发酵工程的基本环节 利用微生物的特定功能,通过现代化工程技术,生产对人类有用的物质的技术体系。 对发酵原理的认识 微生物纯培养技术建立 密闭式发酵罐设计成功 严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等) 大规模生产 发酵产品 微生物的特定功能 现代化工程技术 4 1 发酵工程的基本环节 接种 选育菌种 制备培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 在青霉素生产过程中如果有杂菌污染,某些杂菌会分泌青霉素酶,将青霉素分解掉。 生产柠檬酸 生产啤酒 生产青霉素 生产味精 黑曲霉 啤酒酵母 黄青霉 谷氨酸 棒状杆菌 在菌种确定之后,要选择原料制备培养基。在生产实践中,培养基的配方要经过反复试验才能确定。 性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来,也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。 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 发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种,一旦有杂菌污染,可能导致产量大大下降。因此,培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统,能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制;还可以进行反馈控制,使发酵全过程处于最佳状态。 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 阀门 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中,要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等,以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分,要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖,而且会影响微生物代谢物的形成。 如果发酵产品是微生物细胞本身,可在发酵结束之后,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥,即可得到产品。如果产品是代谢物,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。 5 1 发酵罐示意图 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器及控制装置 冷却水进入口 阀门 空气入口 放料管 生物传感器装置 搅拌叶轮 发酵液 冷却夹层 冷却水排出口 pH计 排气管 电动机 抽取样本进行检测 调节罐温 调节罐压 控制溶解氧含量 不断搅拌的目的: ①使菌种与发酵液混合均匀,提高原料利用率; ②加快O2的溶解以及散热。 6 1 思考 讨论 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? ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖; ②生产所需代谢物的产量高; ③发酵条件易控制; ④菌种不易变异,退化等。 ①反复试验确定培养基的配方;②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌;③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等;④及时添加必需的营养组分;⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件,使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制,以及反馈控制 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要? 要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制,使其最适合微生物的生长繁殖,同时及时添加必要的营养组分。 7 1 发酵工程的基本环节 3.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? 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一的组分,而是成分复杂的混合物,很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理,或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。 4.在进行发酵生产时,排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗?为什么? 不能。因为在进行发酵生产时,微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放,实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 8 1 发酵工程的基本环节 发酵工程的优点 产物专一 原料来源丰富且价格低廉 生产条件温和 废弃物对环境的污