第五章微生物與發(fā)酵工程1

1、第五章第五章 微生物與發(fā)酵工程微生物與發(fā)酵工程以谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)為例以谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)為例1 1、微生物的生長、微生物的生長2 2、發(fā)酵工程簡介、發(fā)酵工程簡介2.3 2.3 微生物的生長微生物的生長常以微生物常以微生物群體為單位群體為單位來研究微生物的生長來研究微生物的生長一、微生物群體生長的規(guī)律一、微生物群體生長的規(guī)律1.1.微生物群體生長的測定：微生物群體生長的測定：測定方法：測定方法：測細菌細胞數(shù)目、測重量測細菌細胞數(shù)目、測重量1.1.調整期調整期2.2.對數(shù)期對數(shù)期3.3.穩(wěn)定期穩(wěn)定期4.4.衰亡期衰亡期人工培養(yǎng)、定期取樣、測定群體生長情況人工培養(yǎng)、定期取樣、測定群體生長情況2 2規(guī)律

2、：規(guī)律：調整期：調整期：細菌一般不分裂，代謝活躍，大量細菌一般不分裂，代謝活躍，大量合成合成細細 胞分裂所需的胞分裂所需的酶類酶類、atpatp及其他細胞成分。及其他細胞成分。對數(shù)期：對數(shù)期：快速分裂快速分裂（2 2n n），），代謝旺盛代謝旺盛，形態(tài)及生理，形態(tài)及生理 特性比較穩(wěn)定，常作為生產(chǎn)菌種和科研的特性比較穩(wěn)定，常作為生產(chǎn)菌種和科研的 材料。材料。穩(wěn)定期：穩(wěn)定期：繁殖速率與死亡速率相等（營養(yǎng)消耗、有繁殖速率與死亡速率相等（營養(yǎng)消耗、有 害代謝產(chǎn)物積累、害代謝產(chǎn)物積累、phph變化）活菌數(shù)目最變化）活菌數(shù)目最 多，代謝產(chǎn)物尤其是多，代謝產(chǎn)物尤其是次級代謝產(chǎn)物積累次級代謝產(chǎn)物積累， 某些細

3、菌開始某些細菌開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，細胞會出現(xiàn)多種細胞會出現(xiàn)多種 形態(tài)形態(tài)，有些細菌開始解體，釋放出代謝產(chǎn)，有些細菌開始解體，釋放出代謝產(chǎn) 物等。物等。調整期調整期對數(shù)期對數(shù)期穩(wěn)定期穩(wěn)定期衰衰亡期亡期群體生長群體生長測量測量生長生長量及量及測定測定一般不立一般不立即繁殖，即繁殖，處于對新處于對新環(huán)境的適環(huán)境的適應時期。應時期?？焖俜敝硶r快速繁殖時期，繁殖期，繁殖死亡，對數(shù)死亡，對數(shù)式增長。式增長。繁殖繁殖死死亡，活菌亡，活菌數(shù)最多，數(shù)最多，接近接近k值。值。繁殖繁殖死亡，死亡，活菌數(shù)，活菌數(shù)，急劇降。急劇降。a計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)計數(shù)b稱

4、干重稱干重或濕重或濕重代謝代謝特點特點大量合成大量合成酶、酶、atp及及其他細胞其他細胞成分。成分。代謝旺盛、代謝旺盛、個體形態(tài)、個體形態(tài)、生理特征穩(wěn)生理特征穩(wěn)定。定。代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物積累，生積累，生產(chǎn)次級代產(chǎn)次級代謝產(chǎn)物。謝產(chǎn)物?；危?，自溶，自溶，釋放代釋放代謝產(chǎn)物謝產(chǎn)物微生物的微生物的生長受溫生長受溫度、度、ph、氧的影響氧的影響生產(chǎn)生產(chǎn)應用應用及控及控制制采用適宜采用適宜的菌種和的菌種和培養(yǎng)條件，培養(yǎng)條件，縮短調整縮短調整期。期。連續(xù)培養(yǎng)，連續(xù)培養(yǎng)，縮短培養(yǎng)縮短培養(yǎng)周期，提周期，提高產(chǎn)量。高產(chǎn)量。認識和掌認識和掌握生長曲握生長曲線，具有線，具有重要的實重要的實踐意義。踐意義。如何縮

5、短調整期如何縮短調整期? ?1 1、增加接種量、增加接種量 2 2、用與培養(yǎng)菌種相同的培養(yǎng)基、用與培養(yǎng)菌種相同的培養(yǎng)基 3 3、利用對數(shù)期的菌種、利用對數(shù)期的菌種連續(xù)培養(yǎng)法：連續(xù)培養(yǎng)法：進入穩(wěn)定期后，補充營養(yǎng)物質，進入穩(wěn)定期后，補充營養(yǎng)物質， 不使進入衰亡期，從而提高代謝不使進入衰亡期，從而提高代謝 產(chǎn)物的產(chǎn)量產(chǎn)物的產(chǎn)量能力培養(yǎng)：能力培養(yǎng)：改編細菌生長曲線圖改編細菌生長曲線圖細菌的生長曲線是以時間為橫坐標，以細細菌的生長曲線是以時間為橫坐標，以細菌數(shù)目的對數(shù)為縱坐標作的圖。請你將其菌數(shù)目的對數(shù)為縱坐標作的圖。請你將其改繪成種群增長速率（改繪成種群增長速率（v v）- -培養(yǎng)時間（培養(yǎng)時間（t

6、t）曲線，其中橫坐標表示曲線，其中橫坐標表示v v，縱坐標表示，縱坐標表示t t。a b c da b c d例例. .下圖是某種細菌的生長曲線。請據(jù)圖下圖是某種細菌的生長曲線。請據(jù)圖回答：回答： (1)(1)圖中生長曲線形成的條件為：圖中生長曲線形成的條件為： 某種細菌接種到恒定容積的培養(yǎng)基中。某種細菌接種到恒定容積的培養(yǎng)基中。 (2)bc(2)bc段表示的是段表示的是 期，該時期與種群期，該時期與種群增長的增長的 曲線相似，其形成的條曲線相似，其形成的條件是件是 (3)ad(3)ad段與種群增長的段與種群增長的 曲線相似，曲線相似，其形成的條件是其形成的條件是 對數(shù)對數(shù) j形增長形增長營養(yǎng)

7、物質充足、環(huán)境條件理想。營養(yǎng)物質充足、環(huán)境條件理想。s形增長形增長營養(yǎng)物質、環(huán)境條件有限。營養(yǎng)物質、環(huán)境條件有限。(4)(4)從生存斗爭角度考慮，種內斗爭最激烈從生存斗爭角度考慮，種內斗爭最激烈的是的是 期，對應曲線的期，對應曲線的 段，形成段，形成這一態(tài)勢的主要生態(tài)因素這一態(tài)勢的主要生態(tài)因素 (5)(5)生產(chǎn)上要想擴大培養(yǎng)需選用生產(chǎn)上要想擴大培養(yǎng)需選用 段的段的菌體，如要獲得較多的產(chǎn)物則應延長菌體，如要獲得較多的產(chǎn)物則應延長 段段的時間，延長的方法是進行的時間，延長的方法是進行 培養(yǎng)，采培養(yǎng)，采取的主要措施是取的主要措施是 穩(wěn)定穩(wěn)定cd生存空間有限、生存空間有限、phph發(fā)生變化、溫度升高、

8、溶氧減少等發(fā)生變化、溫度升高、溶氧減少等 bccd連續(xù)連續(xù)以一定速度添加新培養(yǎng)基、放出舊培養(yǎng)基、以一定速度添加新培養(yǎng)基、放出舊培養(yǎng)基、加人加人phph緩沖物質、攪拌散熱、增加溶氧等。緩沖物質、攪拌散熱、增加溶氧等。 (6)(6)衰亡期對應圖中衰亡期對應圖中 段，該期的特點主段，該期的特點主要是要是 de死亡率超過繁殖率、出現(xiàn)畸變、細胞解體等。死亡率超過繁殖率、出現(xiàn)畸變、細胞解體等。二、影響微生物生長的環(huán)境因素二、影響微生物生長的環(huán)境因素1.1.溫度：溫度：絕大多數(shù)微生物的最適生長溫度為：絕大多數(shù)微生物的最適生長溫度為：2537 高溫下降的原因是：蛋白質和核酸發(fā)生了不可逆轉的破壞高溫下降的原因是

9、：蛋白質和核酸發(fā)生了不可逆轉的破壞 2. ph2. ph：最適最適ph值：值： 植物：植物：5.06.0 動物：動物：7.27.4下降的原因是：影響酶的活性、細胞膜的穩(wěn)定性，從而影響下降的原因是：影響酶的活性、細胞膜的穩(wěn)定性，從而影響 微生物對營養(yǎng)物質的吸收微生物對營養(yǎng)物質的吸收 。細菌：細菌： 6.57.5 真菌真菌 ：5.06.0 放線菌：放線菌：ph7.58.5 3.3.氧：氧：（多數(shù)細菌和大多數(shù)真菌）（多數(shù)細菌和大多數(shù)真菌）好氧型微生物好氧型微生物（如：某些鏈球菌、甲烷桿菌）（如：某些鏈球菌、甲烷桿菌）厭氧型微生物厭氧型微生物（如：酵母菌）（如：酵母菌）兼氧型微生物兼氧型微生物作為生產(chǎn)

10、用菌種和科研的材料，常選哪個時期的作為生產(chǎn)用菌種和科研的材料，常選哪個時期的 細菌（細菌（ ）微生物產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物抗毒素、抗生素、色素微生物產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物抗毒素、抗生素、色素 等的最佳時期是（等的最佳時期是（ ）細菌芽孢形成的時期通常在（細菌芽孢形成的時期通常在（ ）細菌群體在生長過程出現(xiàn)形態(tài)變化甚至畸形是在細菌群體在生長過程出現(xiàn)形態(tài)變化甚至畸形是在 （ ）a.a.對數(shù)期對數(shù)期 b.b.穩(wěn)定期穩(wěn)定期 c.c.衰亡期衰亡期 d.d.調整期調整期在微生物群體生長規(guī)律的測定中，種內斗爭最顯在微生物群體生長規(guī)律的測定中，種內斗爭最顯 著最激烈的時期是（著最激烈的時期是（ ）a ab bb bc c

11、b b1.1.與調整期長短有關的因素中，最全面的一組是與調整期長短有關的因素中，最全面的一組是( )( ) 用與菌種相同的培養(yǎng)基用與菌種相同的培養(yǎng)基 營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基 穩(wěn)定期獲得的菌種穩(wěn)定期獲得的菌種 對數(shù)期獲得的菌種對數(shù)期獲得的菌種 接種時間提前接種時間提前 接種量加大接種量加大 接種量減少接種量減少 接種種類增多接種種類增多 a a b b c c d dc c2.2.在光亮處用一種培養(yǎng)液分別培養(yǎng)綠藻和酵母菌，其在光亮處用一種培養(yǎng)液分別培養(yǎng)綠藻和酵母菌，其結果如右圖，造成這種結果的原因是培養(yǎng)液中結果如右圖，造成這種結果的原因是培養(yǎng)液中( )( ) a a缺少無機鹽缺少無機鹽

12、 b b含氧量太高含氧量太高 c c缺少有機養(yǎng)分缺少有機養(yǎng)分 d d不含二氧化碳不含二氧化碳c c3.(3.(多選多選) )右圖為酵母菌培養(yǎng)過程中的生長曲線，下右圖為酵母菌培養(yǎng)過程中的生長曲線，下 列有關敘述中正確的是（列有關敘述中正確的是（ ） a.a.誘導酶一般是在誘導酶一般是在a a段時期內產(chǎn)生的段時期內產(chǎn)生的 b.bb.b段培養(yǎng)過程中應給予充足的氧氣段培養(yǎng)過程中應給予充足的氧氣 c.c.若要產(chǎn)生大量酒精，則在若要產(chǎn)生大量酒精，則在c c段應將發(fā)酵罐密封段應將發(fā)酵罐密封 d.d.連續(xù)培養(yǎng)的目的主要是為了延長連續(xù)培養(yǎng)的目的主要是為了延長c c段時間段時間abcdabcd4 4下圖為酵母菌細

13、胞的模式圖和生長曲線。請回答：下圖為酵母菌細胞的模式圖和生長曲線。請回答：（1 1）從細胞核的結構看，下列選項中，與該酵母菌同屬）從細胞核的結構看，下列選項中，與該酵母菌同屬一類的生物是（一類的生物是（ ）a a乳酸菌乳酸菌 b b放線菌放線菌 c c變形蟲變形蟲 d d噬菌體噬菌體1234細胞核時間ig（細胞數(shù)）abcde圖3351 2 3 41 2 3 4細細胞胞核核時間時間igig（細（細胞數(shù)）胞數(shù)）a ab bc cd de ec c（2 2）下列與酵母菌發(fā)酵有關的敘述中錯誤的是（）下列與酵母菌發(fā)酵有關的敘述中錯誤的是（ ）a a發(fā)酵過程中，營養(yǎng)物質可自由通過發(fā)酵過程中，營養(yǎng)物質可自由

14、通過44結構結構b b11的形成與細胞核的存在有密切關系的形成與細胞核的存在有密切關系c c發(fā)酵時，處于穩(wěn)定期的細胞，細胞核的代謝最活躍發(fā)酵時，處于穩(wěn)定期的細胞，細胞核的代謝最活躍d d生產(chǎn)酒精時，葡萄糖進入生產(chǎn)酒精時，葡萄糖進入33的方式是主動運輸?shù)姆绞绞侵鲃舆\輸（3 3）要收獲酵母菌的代謝產(chǎn)物，應選擇生長曲線的）要收獲酵母菌的代謝產(chǎn)物，應選擇生長曲線的 期。為了獲得更多的代謝產(chǎn)物，要延長該時期，工業(yè)上期。為了獲得更多的代謝產(chǎn)物，要延長該時期，工業(yè)上采用的方法是采用的方法是 。（4 4）細胞出現(xiàn)多種形態(tài)，甚至畸形的是曲線中的）細胞出現(xiàn)多種形態(tài)，甚至畸形的是曲線中的 期。期。（5 5）如果在有

15、氧和無氧的情況下，酵母菌細胞中）如果在有氧和無氧的情況下，酵母菌細胞中 （結構）數(shù)量會發(fā)生明顯差異。（結構）數(shù)量會發(fā)生明顯差異。c ccdcd連續(xù)培養(yǎng)法連續(xù)培養(yǎng)法dede2 23 3 發(fā)酵工程簡介發(fā)酵工程簡介一、發(fā)酵工程的概念一、發(fā)酵工程的概念 采用現(xiàn)代工采用現(xiàn)代工程技術手段，利程技術手段，利用微生物的某些用微生物的某些特定功能，為人特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微品，或直接把微生物應用于工業(yè)生物應用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種生產(chǎn)過程的一種新技術。新技術。 1.1.概念：概念：二、實例：谷氨酸發(fā)酵二、實例：谷氨酸發(fā)酵1.1.菌種選育：菌種選育：2.2.培養(yǎng)基的配制：培養(yǎng)基的配

16、制：3.3.滅菌：滅菌：4.4.擴大培養(yǎng)和接種：擴大培養(yǎng)和接種：6.6.分離提取產(chǎn)物分離提取產(chǎn)物無菌條件無菌條件谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌5.5.發(fā)酵過程：發(fā)酵過程：自然分離、人工誘變自然分離、人工誘變基因工程、細胞工程基因工程、細胞工程 物質種類、比例、適宜的物質種類、比例、適宜的phph控制各種條件生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品控制各種條件生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品菌體：用過濾、沉淀等方法菌體：用過濾、沉淀等方法代謝產(chǎn)物：用蒸餾、萃取、離子交換等方法代謝產(chǎn)物：用蒸餾、萃取、離子交換等方法高壓蒸汽滅菌高壓蒸汽滅菌五種因子五種因子( (通入無菌空氣并不斷攪拌通入無菌空氣并不斷攪拌) )發(fā)酵過程注意事

17、項發(fā)酵過程注意事項l溫度溫度l分離提純分離提純l氧氣氧氣lphph用適量的用適量的nana2 2coco3 3溶液中和，過濾，濃縮，溶液中和，過濾，濃縮，離心后制成味精離心后制成味精30-3730-37 c c7-8 , 7-8 , 當酸性時，生成乙酰谷氨酰胺當酸性時，生成乙酰谷氨酰胺其為好氧菌，氧不足時，生成乳酸或琥珀酸其為好氧菌，氧不足時，生成乳酸或琥珀酸三、發(fā)酵工程的應用三、發(fā)酵工程的應用在醫(yī)藥工業(yè)方面：在醫(yī)藥工業(yè)方面：在食品工業(yè)方面：在食品工業(yè)方面：生產(chǎn)藥品和基因工程藥品生產(chǎn)藥品和基因工程藥品生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品、食品添加劑、生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品、食品添加劑、單細胞蛋白單細胞蛋白( (菌體菌體

18、) )等等1.1.谷氨酸發(fā)酵過程中，如果環(huán)境條件控制不當，則谷氨酸發(fā)酵過程中，如果環(huán)境條件控制不當，則 可能使代謝產(chǎn)物成為乳酸，那么乳酸是下列哪種可能使代謝產(chǎn)物成為乳酸，那么乳酸是下列哪種 條件下的產(chǎn)物（條件下的產(chǎn)物（ ） a aphph值過小值過小 b bphph值過大值過大 c c溶氧過多溶氧過多 d d溶氧不足溶氧不足2.2.能影響發(fā)酵過程中溫度變化的因素是（能影響發(fā)酵過程中溫度變化的因素是（ ） a a微生物分解有機物釋放的能量微生物分解有機物釋放的能量 b b機械攪拌機械攪拌 c c發(fā)酵罐散熱及水分蒸發(fā)發(fā)酵罐散熱及水分蒸發(fā) d da a、b b、c c都對都對3.3.應用發(fā)酵工程生產(chǎn)

19、的產(chǎn)品不包括（應用發(fā)酵工程生產(chǎn)的產(chǎn)品不包括（ ） a a初級代謝產(chǎn)物初級代謝產(chǎn)物 b b次級代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物 c c單細胞蛋白質單細胞蛋白質 d d目的基因目的基因d dd dd d4 4單細胞蛋白是指（單細胞蛋白是指（ ） a.a.單個植物細胞培養(yǎng)得到的高純度蛋白質單個植物細胞培養(yǎng)得到的高純度蛋白質 b.b.單個動物細胞培養(yǎng)得到的高純度蛋白質單個動物細胞培養(yǎng)得到的高純度蛋白質 c.c.單個細菌細胞分泌的蛋白質單個細菌細胞分泌的蛋白質 d.d.通過發(fā)酵獲得大量微生物菌體通過發(fā)酵獲得大量微生物菌體d d5.5.對谷氨酸發(fā)酵的工業(yè)生產(chǎn)敘述正確的是（對谷氨酸發(fā)酵的工業(yè)生產(chǎn)敘述正確的是（ ） a

20、a菌體是異氧厭氧型微生物菌體是異氧厭氧型微生物 b b培養(yǎng)基屬于液態(tài)的合成培養(yǎng)基培養(yǎng)基屬于液態(tài)的合成培養(yǎng)基 c c谷氨酸的形成與攪拌速度無關谷氨酸的形成與攪拌速度無關 d d產(chǎn)物可用離子交換法提取產(chǎn)物可用離子交換法提取d d生產(chǎn)谷氨酸等食品添加劑離不開發(fā)酵工程。就谷氨酸發(fā)酵回答生產(chǎn)谷氨酸等食品添加劑離不開發(fā)酵工程。就谷氨酸發(fā)酵回答下列問題。下列問題。(1)(1)谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型是谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型是_._.(2)(2)若從自然界分離得到的樣品中含有谷氨酸棒狀桿菌、圓褐固若從自然界分離得到的樣品中含有谷氨酸棒狀桿菌、圓褐固氮菌、金黃色葡萄球菌、酵母菌等，現(xiàn)欲篩選出酵母菌，則簡氮菌、

21、金黃色葡萄球菌、酵母菌等，現(xiàn)欲篩選出酵母菌，則簡便的方案是便的方案是_._.(3)(3)一定容積的培養(yǎng)液中進行谷氨酸發(fā)酵一定容積的培養(yǎng)液中進行谷氨酸發(fā)酵,c/n,c/n比不比不3:13:1時時, ,活菌數(shù)活菌數(shù)可保持最大可保持最大;ph;ph呈酸性時呈酸性時, ,發(fā)酵產(chǎn)物是乙酰谷氨酰胺發(fā)酵產(chǎn)物是乙酰谷氨酰胺. .這些事實說這些事實說明明_._.(4)(4)為測定谷氨酸棒狀桿菌生長所需的最適為測定谷氨酸棒狀桿菌生長所需的最適ph,ph,某同學設計了下某同學設計了下列實驗步驟列實驗步驟. .配制適宜培養(yǎng)基配制適宜培養(yǎng)基, ,分裝到分裝到5 5個錐形瓶中個錐形瓶中; ;用緩沖液分別調用緩沖液分別調phph為為4.04.0、4.54.5、5.05.0、5.55.5、6.06.0，分別標號，分別標號、；將將每瓶培養(yǎng)基選題分裝到每瓶培養(yǎng)基選題分裝到3 3支試管中，加棉塞并包扎支試管中，加棉塞并包扎異養(yǎng)需氧型異養(yǎng)需氧型培養(yǎng)基中加入青霉素或在無氧條件下培養(yǎng)培養(yǎng)基中加入青霉素或在無氧條件下培養(yǎng)環(huán)境條件的變化，不僅影響菌種的生長繁殖，而且會影響環(huán)境條件的變化，不僅影響菌種的生長繁殖，而且會影響菌種代謝產(chǎn)物的形成菌種代謝產(chǎn)物的形成每