1、發酵工程簡介第一課時一、設疑引出新課題前面我們學習了有關微生物的代謝的內容，我們知道了微生物的代謝是 指微生物細胞內所發生的全部的化學反應。在微生物的代謝過程中，會產生多種 多樣的代謝產物，如氨基酸、維生素、抗生素等。而且，這些代謝產物又是我們 人類所需要的。那我們能不能通過微生物的培養來大量生產各種代謝產物呢？這 就是我們今天所要討論的“發酵工程”。二、進行新課（一）介紹谷氨酸發酵的生產實例教師活動：出示谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑的投影片，指導學生 觀察并作適當講解。討論后教師小結如下：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境中的營養物質來合成谷氨酸。下面我們就來

2、看看在工廠里 是怎樣應用谷氨酸棒狀桿菌來生產谷氨酸的。提出問題：谷氨酸發酵最重要的無疑就是選擇菌種了，是不是所有的谷 氨酸棒狀桿菌都可用于谷氨酸發酵生產呢？我們應該選育什么樣的谷氨酸棒狀 桿菌作為菌種呢？教師活動：以前面出示的投影片為依托組織學生就所提問題進行討論。討論后教師小結：只有選擇細胞膜通透較強，在細胞內不積累谷氨酸的 谷氨酸棒狀桿菌做菌種才有可能獲得大量的谷氨酸。提出問題：有了菌種用什么樣的培養基去培養呢？教師活動：通過復習有關培養基的知識，使學生理解培養基應滿足微生 物生長所需要的碳源、氮源、水、無機鹽和生長因子等營養需求。教師活動：出示谷氨酸發酵所需培養基的成分表格并指導學生觀察

3、、思 考。通過討論使學生把培養基中的各種成分按照水、無機鹽、氮源、碳源、 生長因子的分類方法進行分類，進而得出這種培養基能滿足谷氨酸棒狀桿菌所需 各種營養的結論。提出問題：這種培養基從組成成分和物理性質上看屬于哪種培養基？通過討論得出結論：從物理性質上看是液體培養基，從化學成分上看是 天然培養基。提出問題并組織學生討論：在工業生產過程中常采用這種天然成分作為 營養物質的液體培養基，這在發酵生產中有什么好處呢？引導學生通過討論得出以下結論：（1）液體培養基能使營養物質在發酵過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，也有利于生產過程中培養條件的控制以及產物 的提取。（2）采用天然

4、物質作營養物質既能滿足菌體的營養需求，又能降低生 產成本，還能減少對環境的污染。提出問題：有了菌種和合適的培養基，那發酵的主體設備又該是什么樣 的呢？教師活動：出示發酵罐的示意圖，并對發酵罐的組成結構進行簡單介紹。 通過介紹使學生了解發酵的主體設備由發酵罐及其控制部分構成。提出問題：設備中的這些控制部分在生產過程中有什么用呢？教師啟發講解使學生了解：在發酵過程中，發酵罐內的溫度、pH、溶氧 量都會變化，從而影響微生物的生長。因此，必須有相應的控制結構來保持發酵 條件的穩定。提出問題并指導學生閱讀教材中有關內容：在發酵罐中是怎樣進行谷氨 酸發酵生產的？師生共同總結出大致過程在以上總結的基礎上使學

5、生了解發酵工程的概念，即采用現代工程技術 手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應 用于工業生產過程中的一種新技術。（二）深入討論發酵工程的相關內容通過剛才的谷氨酸發酵的實例我們不難看出，發酵工程主要包括了菌種 的選育、培養基的配制、滅菌、擴大培養和接種、發酵過程和產品的分離提純等 內容，對于發酵工程的這些內容我們應該注意些什么呢？1菌種的選育：發酵工程是利用微生物為人類生產有用產品，因此要想通過發酵工程獲 得在種類、產量和質量等方面符合人們要求的產品，最重要的是要有優良的菌種。提出問題：人們怎樣才能得到優良的菌種呢？教師活動：啟發學生以基因突變、基因工程、細胞工

6、程的有關內容為依 托就所提出的問題進行討論。通過討論得出結論：如果生產的是微生物直接合成的產物，如青霉素、 谷氨酸等，則可以從自然界中先分離出相應的菌種，再用物理或化學的方法使菌 種產生突變，從突變個體中篩選出符合生產要求的優良菌種。如果生產的是一般微生物不能合成的產品，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，以構建工程細胞或工程菌，從而達到生 產相應產品的目的。例如：可將人工合成的人的胰島素基因與大腸桿菌的質粒結合，形成重 組DNA，再把重組DNA導入大腸桿菌細胞內形成工程菌。通過篩選則可培養出能 生產人的胰島素的菌種。2培養基的配制：要進行發酵生產，有了優良的菌種還需

7、要有與菌種相適應的培養基。在 配制培養基時應該注意哪些事情呢？教師活動：組織學生用以前學過的有關培養基的知識就所提問題進行討 論。通過討論引導學生從以下幾方面去理解：（1）根據不同的菌種，應選擇不同的材料配制培養基。配制的培養基應 滿足微生物在碳源、氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的營養要求，并為微生 物提供適宜的pH。（2）培養基的營養要協調，以利于產物的合成。（3）培養基在滿足微生物的營養需求的基礎上應盡量降低生產成本，以 得到更高的經濟效益。例如：發酵生產常采用天然成分的液體培養基。而且，經常用野生的植 物淀粉、甘蔗渣、秸稈水解物以及乙醇、醋酸等石化產品代替糧食來配制培養基。3滅菌：發酵

8、工程所用的菌種大多是單一的純種，整個發酵過程中不能混入雜菌。 這是為什么呢？教師活動：組織學生討論，通過討論使學生認識到：在發酵過程中如混 入其他微生物，將與菌種形成競爭關系，對發酵過程造成不良影響。例如：如果在谷氨酸發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。提出問題：那如何防止雜菌的污染呢？通過討論得出結論：要在發酵前對培養基和發酵設施進行嚴格的滅菌處 理。提出問題：怎樣才算滅菌徹底呢？通過討論得出結論：用高溫、高壓的方式，殺死所有雜菌的胞體、芽孢 和孢子。4擴大培養和接種：

9、工業發酵要想在較短的時間內得到大量的發酵產物，這無疑需要大量的 菌體。如何得到發酵生產所需要的大量菌體來縮短生產周期呢？這就需要經過多 次的擴大培養。提出問題：如何對菌種進行擴大培養呢？教師活動：出示細菌的生長曲線示意圖，并依托曲線就所提問題組織學 生討論。通過討論得出結論：擴大培養是將培養到對數期的菌體分開，分頭進行 培養，以促使菌體數量快速增加，能在短時間里得到大量的菌體。提出問題：擴大培養與發酵生產過程中的培養有何不同呢？通過討論得出結論：擴大培養是為了讓菌體在短時期內快速增殖，而發 酵過程中的培養是為了獲得代謝產物，目的不同采用的培養條件就有可能不同。 例如：在酒精發酵過程中，擴大培養

10、是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧 條件下進行。而在發酵產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。提出問題并組織學生討論：有了用于生產的充足的菌體，在接種時要注 意什么事項呢？通過討論得出結論：接種過程中要注意防止雜菌污染。5發酵過程：將菌體接種到裝有培養液的發酵罐中，是不是發酵生產就能順利地進行 呢？不是的！還需要對發酵過程進行檢測和對發酵條件進行控制。這又是為什么 呢？通過教師啟發和學生討論了解：發酵產物主要在菌體生長的穩定期產生。 因此，要在發酵過程中隨時取樣檢測培養液中細菌數目、產物濃度以了解發酵進 程，及時添加必需的培養基成分來延長菌體生長穩定期的時間，以得到更多的發 酵產物。同時，還應對發酵條件進行嚴格控制。提出問題：哪些條件能影響菌體的發酵呢？教師活動：讓學生依據以前所學知識就所提問題展開討論，并引導學生 通過討論得出結論：發酵生產中溫度、pH、溶氧量等對發酵過程有重大影響。提出問題：發酵過程中為什么還要控制發酵條件呢？教師活動：出示影響谷氨酸代謝途徑的因素表格，指導學生觀察、分析， 并組織學生就所提問題進行討論。通過討論使學生認識到：發酵過程中氧的溶量、 pH、磷酸鹽等都能影響谷氨酸代謝途徑，從而影響代謝產物的合成。同時，隨著 代謝的進行，產熱的增加、某營養物質的消耗，以及某些酸