【发酵工程实验室简介】第3节发酵工程简介

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第3节 发酵工程简介
知识方面
（1）发酵工程的概念（知道）。
（2）发酵工程中培养基的配制、菌种选育、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离、提纯等相关内容（知道）。
（3）有关发酵工程在医药工业和食品工业中应用的内容（知道）。
教学重点：发酵工程的概念和内容
教学难点：在发酵过程中，如何保证菌种生长和代谢的正常进行
一、设疑引出新课题
    前面我们学习了有关微生物的代谢的内容，我们知道了微生物的代谢是指微生物细胞内所发生的全部的化学反应。在微生物的代谢过程中，会产生多种多样的代谢产物，如氨基酸、维生素、抗生素等。而且，这些代谢产物又是我们人类所需要的。那我们能不能通过微生物的培养来大量生产各种代谢产物呢？这就是我们今天所要讨论的“发酵工程”。
二、进行新课
    （一）介绍谷氨酸发酵的生产实例
    教师活动：出示谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径的投影片，指导学生观察并作适当讲解。
    讨论后教师小结如下：从投影片我们可以看出，谷氨酸棒状杆菌在一定的条件下能够利用环境中的营养物质来合成谷氨酸。下面我们就来看看在工厂里是怎样应用谷氨酸棒状杆菌来生产谷氨酸的。
    提出问题：谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，是不是所有的谷氨酸棒状杆菌都可用于谷氨酸发酵生产呢？我们应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢？
    教师活动：以前面出示的投影片为依托组织学生就所提问题进行讨论。
    讨论后教师小结：只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量的谷氨酸。
    提出问题：有了菌种用什么样的培养基去培养呢？
    教师活动：通过复习有关培养基的知识，使学生理解培养基应满足微生物生长所需要的碳源、氮源、水、无机盐和生长因子等营养需求。教师活动：出示谷氨酸发酵所需培养基的成分表格并指导学生观察、思考。
    通过讨论使学生把培养基中的各种成分按照水、无机盐、氮源、碳源、生长因子的分类方法进行分类，进而得出这种培养基能满足谷氨酸棒状杆菌所需各种营养的结论。
    提出问题：这种培养基从组成成分和物理性质上看属于哪种培养基？
    通过讨论得出结论：从物理性质上看是液体培养基，从化学成分上看是天然培养基。
提出问题并组织学生讨论：在工业生产过程中常采用这种天然成分作为营养物质的液体培养基，这在发酵生产中有什么好处呢？
    引导学生通过讨论得出以下结论：
    （1）液体培养基能使营养物质在发酵过程中得到充分的利用，还能为菌体提供更大的生存空间。同时，也有利于生产过程中培养条件的控制以及产物的提取。
    （2）采用天然物质作营养物质既能满足菌体的营养需求，又能降低生产成本，还能减少对环境的污染。提出问题：有了菌种和合适的培养基，那发酵的主体设备又该是什么样的呢？教师活动：出示发酵罐的示意图，并对发酵罐的组成结构进行简单介绍。通过介绍使学生了解发酵的主体设备由发酵罐及其控制部分构成。提出问题：设备中的这些控制部分在生产过程中有什么用呢？1234
    教师启发讲解使学生了解：在发酵过程中，发酵罐内的温度、ph、溶氧量都会变化，从而影响微生物的生长。因此，必须有相应的控制结构来保持发酵条件的稳定。
    提出问题并指导学生阅读教材中有关内容：在发酵罐中是怎样进行谷氨酸发酵生产的？
    师生共同总结出大致过程
    在以上总结的基础上使学生了解发酵工程的概念，即采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程中的一种新技术。
    （二）深入讨论发酵工程的相关内容
    通过刚才的谷氨酸发酵的实例我们不难看出，发酵工程主要包括了菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等内容，对于发酵工程的这些内容我们应该注意些什么呢？
    1．菌种的选育：发酵工程是利用微生物为人类生产有用产品，因此要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。
    提出问题：人们怎样才能得到优良的菌种呢？
    教师活动：启发学生以基因突变、基因工程、细胞工程的有关内容为依托就所提出的问题进行讨论。
    通过讨论得出结论：如果生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，则可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。如果生产的是一般微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。
    例如：可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒结合，形成重组dna，再把重组dna导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则可培养出能生产人的胰岛素的菌种。
    2．培养基的配制：要进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。在配制培养基时应该注意哪些事情呢？教师活动：组织学生用以前学过的有关培养基的知识就所提问题进行讨论。通过讨论引导学生从以下几方面去理解：
    （1）根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的ph。  
    （2）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。
    （3）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。
    例如：发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且，经常用野生的植物淀粉、甘蔗渣、秸秆水解物以及乙醇、醋酸等石化产品代替粮食来配制培养基。
    3．灭菌：发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为什么呢？
    教师活动：组织学生讨论，通过讨论使学生认识到：在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。1234
    例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。
    提出问题：那如何防止杂菌的污染呢？
    通过讨论得出结论：要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。
    提出问题：怎样才算灭菌彻底呢？
    通过讨论得出结论：用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。
    4．扩大培养和接种：
    工业发酵要想在较短的时间内得到大量的发酵产物，这无疑需要大量的菌体。如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期呢？这就需要经过多次的扩大培养。
    提出问题：如何对菌种进行扩大培养呢？
    教师活动：出示细菌的生长曲线示意图，并依托曲线就所提问题组织学生讨论。
    通过讨论得出结论：扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。
    提出问题：扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？
    通过讨论得出结论：扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。
    提出问题并组织学生讨论：有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注意什么事项呢？通过讨论得出结论：接种过程中要注意防止杂菌污染。
    5．发酵过程：将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，是不是发酵生产就能顺利地进行呢？不是的！还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制。这又是为什么呢？
    通过教师启发和学生讨论了解：发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此，要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。同时，还应对发酵条件进行严格控制。提出问题：哪些条件能影响菌体的发酵呢？
    教师活动：让学生依据以前所学知识就所提问题展开讨论，并引导学生通过讨论得出结论：发酵生产中温度、ph、溶氧量等对发酵过程有重大影响。
    提出问题：发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？
    教师活动：出示影响谷氨酸代谢途径的因素表格，指导学生观察、分析，并组织学生就所提问题进行讨论。通过讨论使学生认识到：发酵过程中氧的溶量、ph、磷酸盐等都能影响谷氨酸代谢途径，从而影响代谢产物的合成。同时，随着代谢的进行，产热的增加、某营养物质的消耗，以及某些酸性和碱性物质的产生，会使温度、ph等发生变化，这些都会对微生物的生长造成不利影响。因此，需要对发酵过程的中温度、ph、溶氧量等发酵条件进行严格的控制，以保证菌体生长和代谢途径朝着有利人类的方向进行。1234
    6．分离、提纯：提导学生阅读课本中相关内容，再通过讨论使学生了解：发酵产物不同分离提纯的方法会有所不同，并总结出产物分离、提纯的一般方法。
第二课时      一、课前准备
    1．组织学生以“发酵工程的过去、现在与未来”为主题展开调查活动，收集有关发酵工程发展过程的资料，了解当今世界及本地区发酵工程的现状和发酵工程的最新进展。了解发酵工业在世界及本地区的经济中的重要地位，展望发酵工业的未来前景。2．组织学生以“我与发酵工程”为主题展开调查活动，收集与人们生活密切相关的发酵工程产品的相关资料。
    发酵工程的应用：复习发酵工程的相关内容以及发酵产品的种类并引出课题。
    组织学生以“发酵工程的过去、现在与未来”为主题展开讨论和信息交流。通过讨论使学生了解：发酵工程从20世纪40年代初逐渐兴起，50年代开始将代谢控制发酵技术和诱变育种技术应用于发酵工程。70年代，由于基因工程、细胞工程等生物工程技术的利用，使发酵工程进入了定向育种的新阶段，80年代以后由于以计算机技术为代表的高科技手段应用于发酵工程，使发酵工程得以迅猛发展。在医药工业、食品工业、农业、冶金业、环境保护等许多领域得到了广泛的应用，逐渐形成了规模庞大的发酵工业。现在，发达国家发酵工业的总产值已占到国民生产总值的5％左右。
    组织学生以“我与发酵工程”为主题展开讨论并相互交流。
    二、进行新课
    通过讨论使学生感受到发酵工程与人们的生活密切相关。并总结出发酵工程在以下几个方面的重要作用：（一）在医药方面：1．发酵工程能生产人们所需的药品。例如：通过青霉发酵能生产青霉素。2．通过发酵工程能生产基因药品。例如：将合成的人的胰岛素基因转移到大肠杆菌细胞内构建成“工程菌”，再通过培养“工程菌”即可获得人的胰岛素。
    （二）在食品工业方面：1．发酵工程能为人们提供丰富优质的传统发酵产品。如：生产呻酒，果酒等。2．发酵工程能生产各种食品添加剂：酸味剂：柠檬酸、乳酸等。鲜味剂：谷氨酸等。色  素：β-胡萝卜素等。甜味剂：高果糖浆等。3．发酵工程能为解决人类粮食短缺问题开辟新途径。例如：通过发酵可获得大量的微生物菌体——单细胞蛋白。20世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0x107t，广泛用于食品加工和饲料中。
    重点提示
    1．关于谷氨酸发酵的部分，应注意引导学生用以前学过的有关微生物培养基的配制原则等知识，对谷氨酸发酵所用培养基的成分进行剖析，以培养学生理论联系实际的科学态度。2．在关于菌种选育的教学过程中，要注意通过实例重点介绍基因工程在菌种选育上的作用，为后面介绍发酵工程在生产基因工程产品方面的应用作好铺垫，也为下一章有关生物工程间的相互联系的教学打好基础。3．发酵过程中发酵条件的控制，应注意从影响谷氨酸代谢途径的因素进行分析使学生理解发酵条件控制的重要性。有条件的学校还可以针对发酵过程中有哪些因素可以使温度、ph等发酵条件发生改变展开讨论。4．发酵工程的应用，可事先准备些实物、药品、标本等以供学生讨论时展示，可把一些学生不易查到的资料提前印发给学生以便于学生阅读学习。

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