1.3发酵工程及其应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第1章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 情境导入 青霉素 1.在工业上，青霉素是怎样生产的？ 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。 通过发酵工程生产 2.什么是发酵工程？ 利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，生产对人类有用的物质的技术体系。 ——发酵工程 发酵工程基本环节是什么？ 一、概念 二、发酵工程的基本环节 尿素分子模型 接种 发酵罐内发酵 获得产品 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 发酵工程 的中心环节 分离提纯产物 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中 二、发酵工程的基本环节 （1）目的： 获得__________________ 性状优良的菌种 （2）菌种来源： （3）实例： ——菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。 筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸； 基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期。 产柠檬酸量高的黑曲霉 基因工程改造的啤酒酵母 1.选育菌种 ①自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 工业发酵要想在短时间内得到大量的发酵产物，则需要大量菌体，因此需要进行扩大培养。 ①为什么要扩大培养？ 发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米。 ②扩大培养的培养基类型？ 液体培养基 二、发酵工程的基本环节 2.扩大培养 ①根据菌种的代谢特点，选择原料配制培养基。 3.配制培养基 二、发酵工程的基本环节 ②在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定，用于大规模应用。 目的： 防止杂菌污染。发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 例如：在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。 4.灭菌 将 的菌种投放到 中。 发酵罐 扩大培养后 5.接 种 二、发酵工程的基本环节 6.发酵罐内发酵 二、发酵工程的基本环节 发酵工程的中心环节 （1）了解发酵进程： 随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。 （2）严格控 制发酵条件： 及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 ①环境条件不仅影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成； ②严格控制发酵条件，有利使发酵全过程处于最佳状态。 原 因 谷氨酸发酵 （3）不同发酵条件的影响实例： ①在_____和 条件下会积累谷氨酸； ②在_____条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺； 中性 弱碱性 酸性 二、发酵工程的基本环节 6.发酵罐内发酵 该如何控制发酵条件？ 发酵条件包括温度、pH、溶解氧 (4)发酵条件及相应的调节和控制方法： ③溶解氧：通入无菌空气 ①温度：通过通入冷水来调控 ②pH：在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱； 一、发酵工程的基本环节 6.发酵罐内发酵 方法： ①如果发酵产品是微生物细胞本身，采用过滤、沉淀等方法将菌体 分离和干燥，即可得到产品。 ②如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离 和纯化措施来获得产品。 二、发酵工程的基本环节 7.分离、提纯产物 8.获得产品 微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ 思考1 ②产物方面 生产所需代谢物的产量高 ④设备方面 发酵条件容易控制 ③菌体方面 菌种不易变异、退化 ①原料方面 在低成本的培养基上能迅速生长繁殖 思考∙讨论 发酵工程基本环节分析 13 思考∙讨论 发酵工程基本环节分析 怎么对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 思考2 要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。 14 思考∙讨论 发酵工程基本环节分析 在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 思考3 传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理 发酵工程需要对产物进行分离和提纯。发酵工程产物需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。 15 思考∙讨论 发酵工程基本环节分析 在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 思考4 不能。可能含有危害环境的物质。应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 16 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 在农牧业上的应用 在其他方面的应用 三、发酵工程的应用 （一）在食品工业上的应用 1. 生产传统发酵产品 (1)酱油的生产 (2)各种酒类的生产 三、发酵工程的应用 酱油 大豆 (主要原料) 黑曲霉 (蛋白酶) 小分子肽 和氨基酸 淋洗、调制 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 大麦 水 糖化罐 大麦种子发芽， 释放 。 加热杀死 ； 但 。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉水解, 形成 。 终止麦芽生长 便于糖化 淀粉酶 种子胚 不使淀粉酶失活 糖浆 啤酒的工业化生产流程 思考·讨论 啤酒的工业化生产流程 思考·讨论 蒸煮 5 6 发酵 7 消毒 8 终止 产生 ， 终止 的进一步作用，并对糖浆 。 酵母菌将糖转化为 和 ； 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的 。 、 、 啤酒进行出售。 糖浆 啤酒花 过滤 冷却 装瓶 装罐 储存罐 风味组分 酶 灭菌 酒精 CO2 保存期 过滤 调节 分装 ①赋予啤酒独特的苦味和香气 ②形成啤酒优良的泡沫 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 主发酵 后发酵 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。 在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。 思考∙讨论 啤酒的工业化生产流程 2.生产食品添加剂 实例1——柠檬酸 实例2——味精 柠檬酸是一种食品酸度调节剂； 可以通过黑曲霉的发酵制得； （一）在食品工业上的应用 三、发酵工程的应用 实例 由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸； 谷氨酸经过一系列处理就能制成味精； 3.生产酶制剂 ①常见酶制剂 ②酶制剂应用 食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、 改善产品品质和口味、延长储存期和提高产量等； ③酶制剂来源 少数由动植物生产； 绝大多数通过发酵工程生产； （一）在食品工业上的应用 三、发酵工程的应用 α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 应用 实例 采用基因工程的方法将植物或动物的基因转移到微生物中，然后通过发酵工程生产某种药物 通过基因改造，利用微生 物生产生长激素释放抑制 激素、疫苗等 直接对菌种进行改造，再通 过发酵技术大量生产所需要的产品 构建青霉素高产菌种， 大量生产青霉素 (二)在医药工业上的应用 三、发酵工程的应用 应用 用途 举例 二、发酵工程的应用 （三）在农牧业上的应用 微生物菌体，即单细胞蛋白 注 生产微生 物肥料 生产微生 物农药 生产微生 物饲料 增 进 土 壤 肥 力 ， 改良 土 壤 结 构 ，促 进 植 株 生 长 根瘤菌肥、固氮菌肥 利用微生物或其代谢物 来防治 病虫害，是生物防治的重要手段。 利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、放线菌产生的井冈霉素用于防治水稻枯纹病；利用白僵菌防治玉米螟、松毛虫等虫害。 用单细胞蛋白制成的微生物饲 料含有丰富蛋白质，能使家畜 、家禽增重快 ，提高免疫力等 在青贮饲料中添加乳酸菌 ，可以提高饲料的品质 ，使饲料保 鲜 ，提高动物的免疫力。 1. 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质 2.对极端微生物(生活在高温、高压、高盐和低温环境) 的 利用 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂 (四)在其他方面的应用 二、发酵工程的应用 课堂小结 练习与应用·书本P28 1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。 判断下列相关表述是否正确。 (1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。 (2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。 (3)在发酵工程的发酵环节中,发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖, 也会影响微生物的代谢途径。 (4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。 × √ √ × 练习与应用·书本P28 2.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。 (1)青霉素发酵是高耗氧过程,如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力) (2)在发酵过程中,总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？ 提示： 从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 基因工程 提示：可以用 的方法， 将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。 敲除其中一种酶的基因 $$