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1、發(fā)酵工程主要包括了 菌種的選育 、 培養(yǎng)基的 配制 、 滅菌 、 擴大培養(yǎng)和接種 、 發(fā)酵過程 和 產(chǎn)品的 分離提純 等內(nèi)容。 從自然界分離的菌種 誘變育種 基因工程 細胞工程 生產(chǎn)用菌種 擴大培養(yǎng) 接種 發(fā)酵罐 發(fā)酵條件控制 原料 培養(yǎng)基 的配制 滅菌 微生物菌體 代謝產(chǎn)物 產(chǎn)品 1菌種的選育： 基因突變、基因工程、細胞工程 人們怎樣才能得到優(yōu)良的菌種呢？ 發(fā)酵工程是利用微生物為人類生產(chǎn)有用 產(chǎn)品，因此要想通過發(fā)酵工程獲得在種類、產(chǎn) 量和質(zhì)量等方面符合人們要求的產(chǎn)品，最重要 的是要有優(yōu)良的菌種。 如果生產(chǎn)的是微生物直接合成的產(chǎn)物，如青霉素、 谷氨酸等，則可以從自然界中先分離出相應(yīng)的菌種， 再
2、用物理或化學(xué)的方法使菌種產(chǎn)生突變，從突變個 體中篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。 例如：可將人工合成的人的胰島素基因與大腸桿 菌的質(zhì)粒結(jié)合，形成重組 DNA，再把重組 DNA導(dǎo)入 大腸桿菌細胞內(nèi)形成工程菌。通過篩選則可培養(yǎng) 出能生產(chǎn)人的胰島素的菌種。 如果生產(chǎn)的是一般微生物不能合成的產(chǎn)品，則可用 基因工程 、 細胞工程 的方法對菌種的遺傳特性進行 定向改造，以構(gòu)建 工程細胞 或 工程菌 ，從而達到生 產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的目的。 2培養(yǎng)基的配制： 要進行發(fā)酵生產(chǎn)，有了優(yōu)良的菌種還 需要有與菌種相適應(yīng)的培養(yǎng)基。在配制培 養(yǎng)基時應(yīng)該注意哪些事情呢？ 根據(jù)不同的菌種，應(yīng)選擇不同的材料配制 培養(yǎng)基。配制的培養(yǎng)基應(yīng)
3、 滿足 微生物在碳源、 氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的 營養(yǎng) 要求 ，并為微生物 提供適宜的 pH。 培養(yǎng)基的 營養(yǎng)要協(xié)調(diào) ，以利于產(chǎn)物的合成。 培養(yǎng)基在滿足微生物的營養(yǎng)需求的基礎(chǔ)上應(yīng) 盡量 降低生產(chǎn)成本 ，以得到更高的經(jīng)濟效益。 例如：發(fā)酵生產(chǎn)常采用天然成分的液體培養(yǎng) 基。而且，經(jīng)常用野生的植物淀粉、甘蔗渣、 秸稈水解物以及乙醇、醋酸等石化產(chǎn)品代替 糧食來配制培養(yǎng)基。 3滅菌： 發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整 個發(fā)酵過程中不能混入雜菌。 這是為什么呢？ 在發(fā)酵過程中如混入其他微生物，將與菌種形成競 爭關(guān)系，對發(fā)酵過程造成不良影響。 例如：如果在谷氨酸發(fā)酵過程中混入放線菌， 則放線
4、菌分泌的抗生素就會使大量的谷氨酸棒狀 桿菌死亡。如果在青霉素生產(chǎn)過程中污染了雜菌， 這些雜菌則會分泌青霉素酶，將合成的青霉素分 解掉。 那如何防止雜菌的污染呢？ 要在發(fā)酵前對培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)施進行嚴(yán)格 的滅菌處理。 怎樣才算滅菌徹底呢？ 用 高溫、高壓 等方式，殺死所有雜菌的 胞體、芽孢和孢子。 4擴大培養(yǎng)和接種 ： 工業(yè)發(fā)酵要想在較短的時間內(nèi)得到大量的 發(fā)酵產(chǎn)物，這無疑需要大量的菌體。如何得到 發(fā)酵生產(chǎn)所需要的大量菌體來縮短生產(chǎn)周期呢？ 這就需要經(jīng)過多次的擴大培養(yǎng)。 如何對菌種進行擴大培養(yǎng)呢？ 擴大培養(yǎng)是將培養(yǎng)到對數(shù)期的菌體分開， 分頭進行培養(yǎng)，以促使菌體數(shù)量快速增加，能 在短時間里得到大量的
5、菌體。 擴大培養(yǎng)與發(fā)酵生產(chǎn)過程中的培養(yǎng)有何不同呢？ 擴大培養(yǎng) 是為了讓菌體在短時期內(nèi)快速增 殖，而 發(fā)酵過程中的培養(yǎng) 是 為了獲得代謝產(chǎn) 物 ，目的不同采用的培養(yǎng)條件就有可能不 同。 例如：在酒精發(fā)酵過程中，擴大培養(yǎng)是為了促 使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進行。 而在發(fā)酵產(chǎn)生酒精的過程中則必須在無氧條件 下進行以獲得大量的酒精。 有了用于生產(chǎn)的充足的菌體，在接種時 要注意什么事項呢？ 接種過程中要注意防止雜菌污染。 整個接種過程 必須無菌條件下操作 發(fā)酵過程 將菌體接種到裝有培養(yǎng)液的發(fā)酵罐中， 是不是發(fā)酵生產(chǎn)就能順利地進行呢？ 還需要對發(fā)酵過程進行檢測和對發(fā)酵條件進 行控制。 這又是為什
6、么呢？ 發(fā)酵產(chǎn)物主要在菌體生長的穩(wěn)定期產(chǎn)生。 因此，要在發(fā)酵過程中隨時取樣檢測培養(yǎng) 液中細菌數(shù)目、產(chǎn)物濃度以了解發(fā)酵進程， 及時添加必需的培養(yǎng)基成分來延長菌體生 長穩(wěn)定期的時間，以得到更多的發(fā)酵產(chǎn)物。 同時，還應(yīng)對發(fā)酵條件進行嚴(yán)格控制。 哪些條件能影響菌體的發(fā)酵呢？ 結(jié)論：發(fā)酵生產(chǎn)中溫度、 pH、溶氧量等 對發(fā)酵過程有重大影響。 發(fā)酵過程中為什么還要控制發(fā)酵條件呢？ 因素 pH 氧 代 謝 途 經(jīng) NH 4 谷氨酰氨或乙酰谷氨酰氨 谷氨酸 適量 不足 酮戊二酸 谷氨酸 谷氨酰氨 適量 缺乏 過量 適量 乳酸或琥珀酸 谷氨酸 適量 不足 影響谷氨酸代謝途徑的因素 發(fā)酵過程中氧的 溶量、 pH、磷
7、酸鹽 等都能影響谷氨酸 代謝途徑，從而影響代謝產(chǎn)物的合成。同時，隨著代 謝的進行，產(chǎn)熱的增加、某營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，以及某 些酸性和堿性物質(zhì)的產(chǎn)生，會使溫度、 pH等發(fā)生變化， 這些都會對微生物的生長造成不利影響。因此，需要 對發(fā)酵過程的中 溫度、 pH、溶氧量 等發(fā)酵條件進行嚴(yán) 格的控制，以保證菌體生長和代謝途徑朝著有利人類 的方向進行。 從表中可以看出 ： 分離、提純： 分離、提 純的方法 分離提純后的產(chǎn)品，還要經(jīng)過質(zhì)量檢查合格后， 才能成為正式產(chǎn)品。 產(chǎn)品的 分類 菌體本身 如 谷氨酸、酒精 等。 代謝產(chǎn)物 如 酵母菌 和 細菌 等。 過濾、沉淀 等 方法將菌體從 培養(yǎng)液中分離 出來 可采用
8、 蒸餾 、 萃取 、 離子 交換 等方法 進行提取。 菌種選育： 一般有誘 變育種，基因工程和 細胞工程等 培養(yǎng)基配制 滅菌： 包括設(shè)備滅菌和培養(yǎng) 基滅菌 擴大培養(yǎng)和接種 發(fā)酵過程： 隨時了解發(fā)酵進程，及 時添加必需的培養(yǎng)基組分，嚴(yán)格控 制溫度、 pH、溶氧、通氣量與轉(zhuǎn)速 等發(fā)酵條件。 分離提純 菌體：用過濾、沉淀方法 代謝產(chǎn)物：用蒸餾、萃取、離子 交換等方法 擴大培養(yǎng)與發(fā)酵生產(chǎn)過程中的培養(yǎng)有何不同呢？ 擴大培養(yǎng)是為了讓菌體在短時期內(nèi)快速增殖， 而發(fā)酵過程中的培養(yǎng)是為了獲得代謝產(chǎn)物，目的 不同采用的培養(yǎng)條件就有可能不同。 例如：在酒精發(fā)酵過程中，擴大培養(yǎng)是為了促 使酵母菌快速增殖，因此是在有氧
9、條件下進行。 而在發(fā)酵產(chǎn)生酒精的過程中則必須在無氧條件下 進行以獲得大量的酒精。 發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整個發(fā)酵過程中不能 混入雜菌。這是為什么呢？ 在發(fā)酵過程中如混入其他微生物，將與菌種形成競爭關(guān)系， 對發(fā)酵過程造成不良影響。 例如：如果在谷氨酸發(fā)酵過程中混入放線菌，則放線菌分泌 的 抗生素 就會使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡。如果在青霉素生 產(chǎn)過程中污染了雜菌，這些雜菌則會分泌 青霉素酶 ，將合成的 青霉素分解掉。 影響發(fā)酵過程的因素 （ 1）溫度 溫度能影響酶的活性，也能影響生物合成的途徑。溫度 還會影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)，以及菌種對營養(yǎng)物質(zhì)的分解吸收 等。 （ 2） pH pH
10、能夠影響酶的活性，以及細胞膜的帶電荷狀況。還會影 響培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的分解等 （ 3）溶解氧 在發(fā)酵過程中菌種只能利用溶解氧。因此，必須向發(fā) 酵液中連續(xù)補充大量的氧，并要不斷地進行攪拌，以提高氧在 發(fā)酵液中的溶解度。 （ 4）泡沫 發(fā)酵過程中，通氣、攪拌、微生物的代謝過程及培養(yǎng)基 中某些成分的分解等，都有可能產(chǎn)生泡沫。過多的持久性泡沫 對發(fā)酵是不利的。 （ 5）營養(yǎng)物質(zhì)的濃度 發(fā)酵液中各種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，特別是碳氮 比、無機鹽和維生素的濃度，會直接影響菌體的生長和代謝產(chǎn) 物的積累。 思考 溫度升高 : 微生物分解有機物釋放的能量， 一部分用于合成 ATP，另一部分散發(fā)到培養(yǎng)基中 時，會引起發(fā)酵溫度升高；機械攪拌也會產(chǎn)生一 部分熱量引起溫度升高。 溫度降低 :發(fā)酵罐壁散熱，水分蒸發(fā)會帶走部 分熱量，使發(fā)酵溫度降低。 哪些因素會影響發(fā)酵過程中的溫度
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