發(fā)酵工程簡(jiǎn)介

1、發(fā)酵工程簡(jiǎn)介第一課時(shí)一、設(shè)疑引出新課題前面我們學(xué)習(xí)了有關(guān)微生物的代謝的內(nèi)容，我們知道了微生物的代謝是 指微生物細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的全部的化學(xué)反應(yīng)。在微生物的代謝過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生多種 多樣的代謝產(chǎn)物，如氨基酸、維生素、抗生素等。而且，這些代謝產(chǎn)物又是我們 人類所需要的。那我們能不能通過(guò)微生物的培養(yǎng)來(lái)大量生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物呢？這 就是我們今天所要討論的“發(fā)酵工程”。二、進(jìn)行新課（一）介紹谷氨酸發(fā)酵的生產(chǎn)實(shí)例教師活動(dòng)：出示谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑的投影片，指導(dǎo)學(xué)生 觀察并作適當(dāng)講解。討論后教師小結(jié)如下：從投影片我們可以看出，谷氨酸棒狀桿菌在一定 的條件下能夠利用環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)合成谷氨酸。下面我們就來(lái)

2、看看在工廠里 是怎樣應(yīng)用谷氨酸棒狀桿菌來(lái)生產(chǎn)谷氨酸的。提出問(wèn)題：谷氨酸發(fā)酵最重要的無(wú)疑就是選擇菌種了，是不是所有的谷 氨酸棒狀桿菌都可用于谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)呢？我們應(yīng)該選育什么樣的谷氨酸棒狀 桿菌作為菌種呢？教師活動(dòng)：以前面出示的投影片為依托組織學(xué)生就所提問(wèn)題進(jìn)行討論。討論后教師小結(jié)：只有選擇細(xì)胞膜通透較強(qiáng)，在細(xì)胞內(nèi)不積累谷氨酸的 谷氨酸棒狀桿菌做菌種才有可能獲得大量的谷氨酸。提出問(wèn)題：有了菌種用什么樣的培養(yǎng)基去培養(yǎng)呢？教師活動(dòng)：通過(guò)復(fù)習(xí)有關(guān)培養(yǎng)基的知識(shí)，使學(xué)生理解培養(yǎng)基應(yīng)滿足微生 物生長(zhǎng)所需要的碳源、氮源、水、無(wú)機(jī)鹽和生長(zhǎng)因子等營(yíng)養(yǎng)需求。教師活動(dòng)：出示谷氨酸發(fā)酵所需培養(yǎng)基的成分表格并指導(dǎo)學(xué)生觀察

3、、思 考。通過(guò)討論使學(xué)生把培養(yǎng)基中的各種成分按照水、無(wú)機(jī)鹽、氮源、碳源、 生長(zhǎng)因子的分類方法進(jìn)行分類，進(jìn)而得出這種培養(yǎng)基能滿足谷氨酸棒狀桿菌所需 各種營(yíng)養(yǎng)的結(jié)論。提出問(wèn)題：這種培養(yǎng)基從組成成分和物理性質(zhì)上看屬于哪種培養(yǎng)基？通過(guò)討論得出結(jié)論：從物理性質(zhì)上看是液體培養(yǎng)基，從化學(xué)成分上看是 天然培養(yǎng)基。提出問(wèn)題并組織學(xué)生討論：在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常采用這種天然成分作為 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的液體培養(yǎng)基，這在發(fā)酵生產(chǎn)中有什么好處呢？引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)討論得出以下結(jié)論：（1）液體培養(yǎng)基能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)在發(fā)酵過(guò)程中得到充分的利用，還能為 菌體提供更大的生存空間。同時(shí)，也有利于生產(chǎn)過(guò)程中培養(yǎng)條件的控制以及產(chǎn)物 的提取。（2）采用天然

4、物質(zhì)作營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)既能滿足菌體的營(yíng)養(yǎng)需求，又能降低生 產(chǎn)成本，還能減少對(duì)環(huán)境的污染。提出問(wèn)題：有了菌種和合適的培養(yǎng)基，那發(fā)酵的主體設(shè)備又該是什么樣 的呢？教師活動(dòng)：出示發(fā)酵罐的示意圖，并對(duì)發(fā)酵罐的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 通過(guò)介紹使學(xué)生了解發(fā)酵的主體設(shè)備由發(fā)酵罐及其控制部分構(gòu)成。提出問(wèn)題：設(shè)備中的這些控制部分在生產(chǎn)過(guò)程中有什么用呢？教師啟發(fā)講解使學(xué)生了解：在發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度、pH、溶氧 量都會(huì)變化，從而影響微生物的生長(zhǎng)。因此，必須有相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)來(lái)保持發(fā)酵 條件的穩(wěn)定。提出問(wèn)題并指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材中有關(guān)內(nèi)容：在發(fā)酵罐中是怎樣進(jìn)行谷氨 酸發(fā)酵生產(chǎn)的？師生共同總結(jié)出大致過(guò)程在以上總結(jié)的基礎(chǔ)上使學(xué)

5、生了解發(fā)酵工程的概念，即采用現(xiàn)代工程技術(shù) 手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng) 用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一種新技術(shù)。（二）深入討論發(fā)酵工程的相關(guān)內(nèi)容通過(guò)剛才的谷氨酸發(fā)酵的實(shí)例我們不難看出，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(kuò)大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過(guò)程和產(chǎn)品的分離提純等 內(nèi)容，對(duì)于發(fā)酵工程的這些內(nèi)容我們應(yīng)該注意些什么呢？1菌種的選育：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(guò)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。提出問(wèn)題：人們?cè)鯓硬拍艿玫絻?yōu)良的菌種呢？教師活動(dòng)：?jiǎn)l(fā)學(xué)生以基因突變、基因工程、細(xì)胞工

6、程的有關(guān)內(nèi)容為依 托就所提出的問(wèn)題進(jìn)行討論。通過(guò)討論得出結(jié)論：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，再用物理或化學(xué)的方法使菌 種產(chǎn)生突變，從突變個(gè)體中篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。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(xì)胞工程 的方法對(duì)菌種的遺傳特性進(jìn)行定向改造，以構(gòu)建工程細(xì)胞或工程菌，從而達(dá)到生 產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的目的。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(xì)胞內(nèi)形成工程菌。通過(guò)篩選則可培養(yǎng)出能 生產(chǎn)人的胰島素的菌種。2培養(yǎng)基的配制：要進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，有了優(yōu)良的菌種還需

7、要有與菌種相適應(yīng)的培養(yǎng)基。在 配制培養(yǎng)基時(shí)應(yīng)該注意哪些事情呢？教師活動(dòng)：組織學(xué)生用以前學(xué)過(guò)的有關(guān)培養(yǎng)基的知識(shí)就所提問(wèn)題進(jìn)行討 論。通過(guò)討論引導(dǎo)學(xué)生從以下幾方面去理解：（1）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) 滿足微生物在碳源、氮源、生長(zhǎng)因子、水、無(wú)機(jī)鹽等方面的營(yíng)養(yǎng)要求，并為微生 物提供適宜的pH。（2）培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)要協(xié)調(diào)，以利于產(chǎn)物的合成。（3）培養(yǎng)基在滿足微生物的營(yíng)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(jì)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(lái)配制培養(yǎng)基。3滅菌：發(fā)酵

8、工程所用的菌種大多是單一的純種，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中不能混入雜菌。 這是為什么呢？教師活動(dòng)：組織學(xué)生討論，通過(guò)討論使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：在發(fā)酵過(guò)程中如混 入其他微生物，將與菌種形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)發(fā)酵過(guò)程造成不良影響。例如：如果在谷氨酸發(fā)酵過(guò)程中混入放線菌，則放線菌分泌的抗生素就 會(huì)使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡。如果在青霉素生產(chǎn)過(guò)程中污染了雜菌，這些雜 菌則會(huì)分泌青霉素酶，將合成的青霉素分解掉。提出問(wèn)題：那如何防止雜菌的污染呢？通過(guò)討論得出結(jié)論：要在發(fā)酵前對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌處 理。提出問(wèn)題：怎樣才算滅菌徹底呢？通過(guò)討論得出結(jié)論：用高溫、高壓的方式，殺死所有雜菌的胞體、芽孢 和孢子。4擴(kuò)大培養(yǎng)和接種：

9、工業(yè)發(fā)酵要想在較短的時(shí)間內(nèi)得到大量的發(fā)酵產(chǎn)物，這無(wú)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(lái)縮短生產(chǎn)周期呢？這就需要經(jīng)過(guò)多 次的擴(kuò)大培養(yǎng)。提出問(wèn)題：如何對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)呢？教師活動(dòng)：出示細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線示意圖，并依托曲線就所提問(wèn)題組織學(xué) 生討論。通過(guò)討論得出結(jié)論：擴(kuò)大培養(yǎng)是將培養(yǎng)到對(duì)數(shù)期的菌體分開，分頭進(jìn)行 培養(yǎng)，以促使菌體數(shù)量快速增加，能在短時(shí)間里得到大量的菌體。提出問(wèn)題：擴(kuò)大培養(yǎng)與發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的培養(yǎng)有何不同呢？通過(guò)討論得出結(jié)論：擴(kuò)大培養(yǎng)是為了讓菌體在短時(shí)期內(nèi)快速增殖，而發(fā) 酵過(guò)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(guò)程中，擴(kuò)大培養(yǎng)

10、是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧 條件下進(jìn)行。而在發(fā)酵產(chǎn)生酒精的過(guò)程中則必須在無(wú)氧條件下進(jìn)行以獲得大量的 酒精。提出問(wèn)題并組織學(xué)生討論：有了用于生產(chǎn)的充足的菌體，在接種時(shí)要注 意什么事項(xiàng)呢？通過(guò)討論得出結(jié)論：接種過(guò)程中要注意防止雜菌污染。5發(fā)酵過(guò)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(jìn)行 呢？不是的！還需要對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行控制。這又是為什么 呢？通過(guò)教師啟發(fā)和學(xué)生討論了解：發(fā)酵產(chǎn)物主要在菌體生長(zhǎng)的穩(wěn)定期產(chǎn)生。 因此，要在發(fā)酵過(guò)程中隨時(shí)取樣檢測(cè)培養(yǎng)液中細(xì)菌數(shù)目、產(chǎn)物濃度以了解發(fā)酵進(jìn) 程，及時(shí)添加必需的培養(yǎng)基成分來(lái)延長(zhǎng)菌體生長(zhǎng)穩(wěn)定期的時(shí)間，以得到更多的發(fā) 酵產(chǎn)物。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行嚴(yán)格控制。提出問(wèn)題：哪些條件能影響菌體的發(fā)酵呢？教師活動(dòng)：讓學(xué)生依據(jù)以前所學(xué)知識(shí)就所提問(wèn)題展開討論，并引導(dǎo)學(xué)生 通過(guò)討論得出結(jié)論：發(fā)酵生產(chǎn)中溫度、pH、溶氧量等對(duì)發(fā)酵過(guò)程有重大影響。提出問(wèn)題：發(fā)酵過(guò)程中為什么還要控制發(fā)酵條件呢？教師活動(dòng)：出示影響谷氨酸代謝途徑的因素表格，指導(dǎo)學(xué)生觀察、分析， 并組織學(xué)生就所提問(wèn)題進(jìn)行討論。通過(guò)討論使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：發(fā)酵過(guò)程中氧的溶量、 pH、磷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(shí)，隨著 代謝的進(jìn)行，產(chǎn)熱的增加、某營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，以及某些酸