第五章 微生物与发酵工程(1).ppt

第五章第五章 微生物与发酵工程微生物与发酵工程以谷氨酸的发酵生产为例以谷氨酸的发酵生产为例酶工程简介不作要求酶工程简介不作要求1 1、微生物的生长、微生物的生长2 2、发酵工程简介、发酵工程简介2.3 2.3 微生物的生长微生物的生长常以微生物常以微生物群体为单位群体为单位来研究微生物的生长来研究微生物的生长一、微生物群体生长的规律一、微生物群体生长的规律1.1.微生物群体生长的测定：微生物群体生长的测定：测定方法：测定方法：测细菌细胞数目、测重量测细菌细胞数目、测重量1.1.调整期调整期2.2.对数期对数期3.3.稳定期稳定期4.4.衰亡期衰亡期人工培养、定期取样、测定群体生长情况人工培养、定期取样、测定群体生长情况2 2规律：规律：调整期：调整期：细菌一般不分裂，代谢活跃，大量细菌一般不分裂，代谢活跃，大量合成合成细细 胞分裂所需的胞分裂所需的酶类酶类、ATPATP及其他细胞成分。及其他细胞成分。对数期：对数期：快速分裂快速分裂（2 2n n），），代谢旺盛代谢旺盛，形态及生理，形态及生理 特性比较稳定，常作为生产菌种和科研的特性比较稳定，常作为生产菌种和科研的 材料。材料。稳定期：稳定期：繁殖速率与死亡速率相等（营养消耗、有繁殖速率与死亡速率相等（营养消耗、有 害代谢产物积累、害代谢产物积累、PHPH变化）活菌数目最变化）活菌数目最 多，代谢产物尤其是多，代谢产物尤其是次级代谢产物积累次级代谢产物积累，某些细菌开始某些细菌开始形成芽孢形成芽孢。衰亡期：衰亡期：死亡速率大于繁殖速率，死亡速率大于繁殖速率，细胞会出现多种细胞会出现多种 形态形态，有些细菌开始解体，释放出代谢产，有些细菌开始解体，释放出代谢产 物等。物等。调整期调整期对数期对数期稳定期稳定期衰衰亡期亡期群体生长群体生长测量测量生长生长量及量及测定测定一般不立一般不立即繁殖，即繁殖，处于对新处于对新环境的适环境的适应时期。应时期。快速繁殖时快速繁殖时期，繁殖期，繁殖死亡，对数死亡，对数式增长。式增长。繁殖繁殖死死亡，活菌亡，活菌数最多，数最多，接近接近K值。值。繁殖繁殖死亡，死亡，活菌数，活菌数，急剧降。急剧降。a计数器计数器计数计数b称干重称干重或湿重或湿重代谢代谢特点特点大量合成大量合成酶、酶、ATP及及其他细胞其他细胞成分。成分。代谢旺盛、代谢旺盛、个体形态、个体形态、生理特征稳生理特征稳定。定。代谢产物代谢产物积累，生积累，生产次级代产次级代谢产物。谢产物。畸形，畸形，自溶，自溶，释放代释放代谢产物谢产物微生物的微生物的生长受温生长受温度、度、pH、氧的影响氧的影响生产生产应用应用及控及控制制采用适宜采用适宜的菌种和的菌种和培养条件，培养条件，缩短调整缩短调整期。期。获取菌种和获取菌种和科研材料。科研材料。连续培养，连续培养，缩短培养缩短培养周期，提周期，提高产量。高产量。认识和掌认识和掌握生长曲握生长曲线，具有线，具有重要的实重要的实践意义。践意义。如何缩短调整期如何缩短调整期?1 1、增加接种量、增加接种量 2 2、用与培养菌种相同的培养基、用与培养菌种相同的培养基 3 3、利用对数期的菌种、利用对数期的菌种连续培养法：连续培养法：进入稳定期后，补充营养物质，进入稳定期后，补充营养物质，不使进入衰亡期，从而提高代谢不使进入衰亡期，从而提高代谢 产物的产量产物的产量能力培养：能力培养：改编细菌生长曲线图改编细菌生长曲线图细菌的生长曲线是以时间为横坐标，以细细菌的生长曲线是以时间为横坐标，以细菌数目的对数为纵坐标作的图。请你将其菌数目的对数为纵坐标作的图。请你将其改绘成种群增长速率（改绘成种群增长速率（v v）-培养时间（培养时间（t t）曲线，其中横坐标表示曲线，其中横坐标表示v v，纵坐标表示，纵坐标表示t t。A B C DA B C D例例.下图是某种细菌的生长曲线。请据图下图是某种细菌的生长曲线。请据图回答：回答：(1)(1)图中生长曲线形成的条件为：图中生长曲线形成的条件为：某种细菌接种到恒定容积的培养基中。某种细菌接种到恒定容积的培养基中。(2)BC(2)BC段表示的是段表示的是 期，该时期与种群期，该时期与种群增长的增长的 曲线相似，其形成的条曲线相似，其形成的条件是件是 (3)AD(3)AD段与种群增长的段与种群增长的 曲线相似，曲线相似，其形成的条件是其形成的条件是 对数对数 J形增长形增长营养物质充足、环境条件理想。营养物质充足、环境条件理想。S形增长形增长营养物质、环境条件有限。营养物质、环境条件有限。(4)(4)从生存斗争角度考虑，种内斗争最激烈从生存斗争角度考虑，种内斗争最激烈的是的是 期，对应曲线的期，对应曲线的 段，形成段，形成这一态势的主要生态因素这一态势的主要生态因素 (5)(5)生产上要想扩大培养需选用生产上要想扩大培养需选用 段的段的菌体，如要获得较多的产物则应延长菌体，如要获得较多的产物则应延长 段段的时间，延长的方法是进行的时间，延长的方法是进行 培养，采培养，采取的主要措施是取的主要措施是 稳定稳定CD生存空间有限、生存空间有限、pHpH发生变化、温度升高、溶氧减少等发生变化、温度升高、溶氧减少等 BCCD连续连续以一定速度添加新培养基、放出旧培养基、以一定速度添加新培养基、放出旧培养基、加人加人pHpH缓冲物质、搅拌散热、增加溶氧等。缓冲物质、搅拌散热、增加溶氧等。(6)(6)衰亡期对应图中衰亡期对应图中 段，该期的特点主段，该期的特点主要是要是 DE死亡率超过繁殖率、出现畸变、细胞解体等。死亡率超过繁殖率、出现畸变、细胞解体等。二、影响微生物生长的环境因素二、影响微生物生长的环境因素1.1.温度：温度：绝大多数微生物的最适生长温度为：绝大多数微生物的最适生长温度为：2537 高温下降的原因是：蛋白质和核酸发生了不可逆转的破坏高温下降的原因是：蛋白质和核酸发生了不可逆转的破坏 2.PH2.PH：最适最适PH值：值：植物：植物：5.06.0 动物：动物：7.27.4下降的原因是：影响酶的活性、细胞膜的稳定性，从而影响下降的原因是：影响酶的活性、细胞膜的稳定性，从而影响 微生物对营养物质的吸收微生物对营养物质的吸收。细菌：细菌：6.57.5 真菌真菌：5.06.0 放线菌：放线菌：pH7.58.5 3.3.氧：氧：（多数细菌和大多数真菌）（多数细菌和大多数真菌）好氧型微生物好氧型微生物（如：某些链球菌、甲烷杆菌）（如：某些链球菌、甲烷杆菌）厌氧型微生物厌氧型微生物（如：酵母菌）（如：酵母菌）兼氧型微生物兼氧型微生物作为生产用菌种和科研的材料，常选哪个时期的作为生产用菌种和科研的材料，常选哪个时期的 细菌（细菌（）微生物产生次级代谢产物抗毒素、抗生素、色素微生物产生次级代谢产物抗毒素、抗生素、色素 等的最佳时期是（等的最佳时期是（）细菌芽孢形成的时期通常在（细菌芽孢形成的时期通常在（）细菌群体在生长过程出现形态变化甚至畸形是在细菌群体在生长过程出现形态变化甚至畸形是在 （）A.A.对数期对数期 B.B.稳定期稳定期 C.C.衰亡期衰亡期 D.D.调整期调整期在微生物群体生长规律的测定中，种内斗争最显在微生物群体生长规律的测定中，种内斗争最显 著最激烈的时期是（著最激烈的时期是（）ABBCB1.1.与调整期长短有关的因素中，最全面的一组是与调整期长短有关的因素中，最全面的一组是()()用与菌种相同的培养基用与菌种相同的培养基 营养丰富的培养基营养丰富的培养基 稳定期获得的菌种稳定期获得的菌种 对数期获得的菌种对数期获得的菌种 接种时间提前接种时间提前 接种量加大接种量加大 接种量减少接种量减少 接种种类增多接种种类增多 A A B B C C D DC2.2.在光亮处用一种培养液分别培养绿藻和酵母菌，其在光亮处用一种培养液分别培养绿藻和酵母菌，其结果如右图，造成这种结果的原因是培养液中结果如右图，造成这种结果的原因是培养液中()()A A缺少无机盐缺少无机盐 B B含氧量太高含氧量太高 C C缺少有机养分缺少有机养分 D D不含二氧化碳不含二氧化碳C3.(3.(多选多选)右图为酵母菌培养过程中的生长曲线，下右图为酵母菌培养过程中的生长曲线，下 列有关叙述中正确的是（列有关叙述中正确的是（）A.A.诱导酶一般是在诱导酶一般是在a a段时期内产生的段时期内产生的 B.bB.b段培养过程中应给予充足的氧气段培养过程中应给予充足的氧气 C.C.若要产生大量酒精，则在若要产生大量酒精，则在c c段应将发酵罐密封段应将发酵罐密封 D.D.连续培养的目的主要是为了延长连续培养的目的主要是为了延长c c段时间段时间ABCD4 4下图为酵母菌细胞的模式图和生长曲线。请回答：下图为酵母菌细胞的模式图和生长曲线。请回答：（1 1）从细胞核的结构看，下列选项中，与该酵母菌同属）从细胞核的结构看，下列选项中，与该酵母菌同属一类的生物是（一类的生物是（）A A乳酸菌乳酸菌 B B放线菌放线菌 C C变形虫变形虫 D D噬菌体噬菌体1234细胞核时间Ig（细胞数）ABCDE图3351 1 2 2 3 3 4 4细细胞胞核核时间时间IgIg（细（细胞数）胞数）A AB BC CD DE EC C（2 2）下列与酵母菌发酵有关的叙述中错误的是（）下列与酵母菌发酵有关的叙述中错误的是（）A A发酵过程中，营养物质可自由通过发酵过程中，营养物质可自由通过44结构结构B B11的形成与细胞核的存在有密切关系的形成与细胞核的存在有密切关系C C发酵时，处于稳定期的细胞，细胞核的代谢最活跃发酵时，处于稳定期的细胞，细胞核的代谢最活跃D D生产酒精时，葡萄糖进入生产酒精时，葡萄糖进入33的方式是主动运输的方式是主动运输（3 3）要收获酵母菌的代谢产物，应选择生长曲线的）要收获酵母菌的代谢产物，应选择生长曲线的 期。为了获得更多的代谢产物，要延长该时期，工业上期。为了获得更多的代谢产物，要延长该时期，工业上采用的方法是采用的方法是 。（4 4）细胞出现多种形态，甚至畸形的是曲线中的）细胞出现多种形态，甚至畸形的是曲线中的 期。期。（5 5）如果在有氧和无氧的情况下，酵母菌细胞中）如果在有氧和无氧的情况下，酵母菌细胞中 （结构）数量会发生明显差异。（结构）数量会发生明显差异。C CCDCD连续培养法连续培养法DEDE2 23 3 发酵工程简介发酵工程简介一、发酵工程的概念一、发酵工程的概念 采用现代工采用现代工程技术手段，利程技术手段，利用微生物的某些用微生物的某些特定功能，为人特定功能，为人类生产有用的产类生产有用的产品，或直接把微品，或直接把微生物应用于工业生物应用于工业生产过程的一种生产过程的一种新技术。新技术。电动机电动机电动机电动机pHpHpHpH检测及检测及检测及检测及控制装置控制装置控制装置控制装置培养液培养液培养液培养液无菌空气无菌空气无菌空气无菌空气排气口排气口排气口排气口冷却水冷却水冷却水冷却水出口出口出口出口冷却水冷却水冷却水冷却水进口进口进口进口搅拌器搅拌器搅拌器搅拌器加料口加料口加料口加料口放料口放料口放料口放料口发酵罐示意图发酵罐示意图1.1.概念：概念：二、实例：谷氨酸发酵二、实例：谷氨酸发酵1.1.菌种选育：菌种选育：2.2.培养基的配制：培养基的配制：3.3.灭菌：灭菌：4.4.扩大培养和接种：扩大培养和接种：6.6.分离提取产物分离提取产物无菌条件无菌条件谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌5.5.发酵过程：发酵过程：自然分离、人工诱变自然分离、人工诱变基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程 物质种类、比例、适宜的物质种类、比例、适宜的PHPH控制各种条件生产发酵产品控制各种条件生产发酵产品菌体：用过滤、沉淀等方法菌体：用过滤、沉淀等方法代谢产物：用蒸馏、萃取、离子交换等方法代谢产物：用蒸馏、萃取、离子交换等方法高压蒸汽灭菌高压蒸汽灭菌五种因子五种因子(通入无菌空气并不断搅拌通入无菌空气并不断搅拌)从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种产产 品品基因工程基因工程基因工程基因工程诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种细胞工程细胞工程细胞工程细胞工程生产用菌种生产用菌种生产用菌种生产用菌种扩大培养扩大培养扩大培养扩大培养原原原原 料料料料微生物菌体微生物菌体微生物菌体微生物菌体代谢产物代谢产物代谢产物代谢产物分离提纯分离提纯分离提纯分离提纯接种接种接种接种培养基配置培养基配置培养基配置培养基配置灭菌灭菌灭菌灭菌发酵过程注意事项发酵过程注意事项l温度温度l分离提纯分离提纯l氧气氧气lPh用适量的用适量的NaNa2 2COCO3 3溶液中和，过滤，浓缩，溶液中和，过滤，浓缩，离心后制成味精离心后制成味精30-37C7-8,当酸性时，生成乙酰谷氨酰胺当酸性时，生成乙酰谷氨酰胺其为好氧菌，氧不足时，生成乳酸或琥珀酸其为好氧菌，氧不足时，生成乳酸或琥珀酸三、发酵工程的应用三、发酵工程的应用在医药工业方面：在医药工业方面：在食品工业方面：在食品工业方面：生产药品和基因工程药品生产药品和基因工程药品生产传统发酵产品、食品添加剂、生产传统发酵产品、食品添加剂、单细胞蛋白单细胞蛋白(菌体菌体)等等1.1.谷氨酸发酵过程中，如果环境条件控制不当，则谷氨酸发酵过程中，如果环境条件控制不当，则 可能使代谢产物成为乳酸，那么乳酸是下列哪种可能使代谢产物成为乳酸，那么乳酸是下列哪种 条件下的产物（条件下的产物（）A APHPH值过小值过小 B BPHPH值过大值过大 C C溶氧过多溶氧过多 D D溶氧不足溶氧不足2.2.能影响发酵过程中温度变化的因素是（能影响发酵过程中温度变化的因素是（）A A微生物分解有机物释放的能量微生物分解有机物释放的能量 B B机械搅拌机械搅拌 C C发酵罐散热及水分蒸发发酵罐散热及水分蒸发 D DA A、B B、C C都对都对3.3.应用发酵工程生产的产品不包括（应用发酵工程生产的产品不包括（）A A初级代谢产物初级代谢产物 B B次级代谢产物次级代谢产物 C C单细胞蛋白质单细胞蛋白质 D D目的基因目的基因DDD4 4单细胞蛋白是指（单细胞蛋白是指（）A.A.单个植物细胞培养得到的高纯度蛋白质单个植物细胞培养得到的高纯度蛋白质 B.B.单个动物细胞培养得到的高纯度蛋白质单个动物细胞培养得到的高纯度蛋白质 C.C.单个细菌细胞分泌的蛋白质单个细菌细胞分泌的蛋白质 D.D.通过发酵获得大量微生物菌体通过发酵获得大量微生物菌体D5.5.对谷氨酸发酵的工业生产叙述正确的是（对谷氨酸发酵的工业生产叙述正确的是（）A A菌体是异氧厌氧型微生物菌体是异氧厌氧型微生物 B B培养基属于液态的合成培养基培养基属于液态的合成培养基 C C谷氨酸的形成与搅拌速度无关谷氨酸的形成与搅拌速度无关 D D产物可用离子交换法提取产物可用离子交换法提取D生产谷氨酸等食品添加剂离不开发酵工程。就谷氨酸发酵回答生产谷氨酸等食品添加剂离不开发酵工程。就谷氨酸发酵回答下列问题。下列问题。(1)(1)谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是_._.(2)(2)若从自然界分离得到的样品中含有谷氨酸棒状杆菌、圆褐固若从自然界分离得到的样品中含有谷氨酸棒状杆菌、圆褐固氮菌、金黄色葡萄球菌、酵母菌等，现欲筛选出酵母菌，则简氮菌、金黄色葡萄球菌、酵母菌等，现欲筛选出酵母菌，则简便的方案是便的方案是_._.(3)(3)一定容积的培养液中进行谷氨酸发酵一定容积的培养液中进行谷氨酸发酵,C/N,C/N比不比不3:13:1时时,活菌数活菌数可保持最大可保持最大;PH;PH呈酸性时呈酸性时,发酵产物是乙酰谷氨酰胺发酵产物是乙酰谷氨酰胺.这些事实说这些事实说明明_._.(4)(4)为测定谷氨酸棒状杆菌生长所需的最适为测定谷氨酸棒状杆菌生长所需的最适PH,PH,某同学设计了下某同学设计了下列实验步骤列实验步骤.配制适宜培养基配制适宜培养基,分装到分装到5 5个锥形瓶中个锥形瓶中;用缓冲液分别调用缓冲液分别调PHPH为为4.04.0、4.54.5、5.05.0、5.55.5、6.06.0，分别标号，分别标号、；将每将每瓶培养基选题分装到瓶培养基选题分装到3 3支试管中，加棉塞并包扎支试管中，加棉塞并包扎异养需氧型异养需氧型培养基中加入青霉素或在无氧条件下培养培养基中加入青霉素或在无氧条件下培养环境条件的变化，不仅影响菌种的生长繁殖，而且会影响环境条件的变化，不仅影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢产物的形成菌种代谢产物的形成每捆试管外挂上相应标签；在酒精灯上加热煮沸每捆试管外挂上相应标签；在酒精灯上加热煮沸20min20min灭菌后灭菌后冷却；无菌条件下接种等量菌种；冷却；无菌条件下接种等量菌种；3737恒温箱中培养恒温箱中培养2424小时；小时；测定每管中谷氨酸的产量：计量、统计并分析结果。测定每管中谷氨酸的产量：计量、统计并分析结果。A A。上述步骤中有。上述步骤中有3 3个明显科学性错误，请在相应文字下划线个明显科学性错误，请在相应文字下划线标记，并按序改正：标记，并按序改正：B B。试列出实验结果的数据统计表格（含标题）。试列出实验结果的数据统计表格（含标题）C C。若按改正后的步骤实验，请将预期结果用曲线图表示走势。若按改正后的步骤实验，请将预期结果用曲线图表示走势 6.56.5、7.07.0、7.57.5、8.08.0、8.58.5在在98kPa98kPa下高压蒸气灭菌下高压蒸气灭菌测定菌体的细胞数目或重量测定菌体的细胞数目或重量细细胞胞数数目目PHPH谢谢观看谢谢观看!发酵工程中所用的菌种多要求是纯培养的，发酵工程中所用的菌种多要求是纯培养的，即整个发酵过程不能混有杂菌，否则将导致产即整个发酵过程不能混有杂菌，否则将导致产量大大下降，甚至得不到产品。例如，如果青量大大下降，甚至得不到产品。例如，如果青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌会分泌霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。因此，培青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。灭菌培养基：培养基：操作者：操作者：接种环接种环：高压蒸汽灭菌高压蒸汽灭菌酒精酒精火焰灼烧火焰灼烧