1.3发酵工程及其应用课件-2023-2024学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

高中生物学选择性必修3 第1章发酵工程 第3节发酵工程及其应用 教学目标： 1、概述发酵工程及其基本环节。 2、举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。 教学重点： 发酵工程的基本环节、发酵工程的应用。 教学难点： 发酵工程的基本环节。 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。那么,在 工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢? 从社会中来 指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类 有用的产品。它涉及菌种的选育和培养，产物的分离和提纯等方面。 大规模生产发酵产品 微生物的特定功能 现代化工程技术 发酵工程 士 选育高 产菌种 配制培 养基 一、发酵工程的基本环节 扩大 培养 灭菌 分离、提 纯产物 发酵罐 内发酵 获得 产品 接种 优良的菌种不仅其有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等 优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上 决定了生产发酵产品的成败。 ① 性状优良的菌种可以加速发酵过程，缩短生产周期。 生产柠檬酸 生产青霉素 啤酒酵母 黑曲霉 生产啤酒 蛋白酶 黑曲霉 黄青霉 选育菌种 自然筛选 优点：经济实惠 缺点：自发突变频率低，出现优良性状可能性小，需要时间长。 诱变育种或基因工程育种 优点：育种时间短、提高发酵产物纯度、减少副产物 缺点：技术要求高 ②方法： 自然筛选、诱变育种或基因工程育种 选育菌种 思 考 怎样对菌种进行扩大培养? 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 接入的菌种总体积 几～几十m³ 工业发酵罐体积 几十～几百m³ 扩大培养 一液体培养基 菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配 方要经过反复试验才能确定。 ①原因： 发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。 一旦有杂菌污 染，可能导致产量大大下降。 ②灭菌对象：培养基和发酵设备 ③实例：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。 杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物质 抑制菌种生长而使产量下降。 接种 灭菌 配制培养基 发酵罐内发酵 中心环节 ①随时检测培养液微生物数量、产物浓度，以了 解发酵进程。 ②环境条件不仅影响微生物生长繁殖，而且会影 响微生物代谢物的形成。 ③检测和控制：温度、pH 、溶解氧、压强、通气 量、搅拌、泡沫和营养等。 观察孔 搅拌叶轮 冷却水 进入口 pH检测及控制 排气管 冷却水 排出口 空气入口 放料管 培养物或营养 物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器 和控制装置 冷却水 进入口 使微生物与发酵液 混合均匀，加快O₂ 的溶解以及散热 抽取样本 进行检测 调节罐温 发酵罐内发酵 中心环节 发酵罐示意图： 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 →控制溶解氧 →调节罐压 电动机 排气管 pH计 阀门 ①发酵产品是微生物细胞本身 ——过滤、沉淀 ②发酵产品是代谢物 ——根据产物的性质采取适当的提取、分 离、纯化措施 (如蒸馏、萃取) 分离、提纯产物 1.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? 在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件 容易控制；菌种不易变异、退化等。 2. 怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要? 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。 3. 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? 不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。 为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，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。 发酵工程基本环节分析 思考·讨论 4.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? 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，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来 分离和提纯产物。在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初 分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化 阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体 本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 思考·讨论 发酵工程基本环节分析 (一)发酵工程的特点 (二)发酵工程的应用 √产物专一 √在食品工业上的应用 √生产条件温和 √在医药工业上的应用 √原料来源丰富且价格低廉 √在农牧业上的应用 √废弃物对环境污染小且容易处理 √在其他方面的应用 二 、发酵工程的应用 黑曲霉 ( 蛋 白 酶 )→ 小分子肽和 氨基酸 1.在食品工业上的应用 ①生产传统发酵产品 各种酒类的生产 谷物或水果 大豆(主要原料) 酱油的生产 淋洗、调制 各种酒类 酿酒酵母 酱油 1.在食品工业上的应用 ②生产食品添加剂 谷氨酸棒状 杆菌 黑曲霉 淀粉 柠檬酸合成酶 发酵 氧气 谷氨酸 柠檬酸 淀粉酶 葡萄糖 处理 味精 1.在食品工业上的应用 ③生产酶制剂 酶制剂：从生物体中提取的其有酶特性的一类化学物质。 分 类：胞内酶和胞外酶 特 点：易于工业化生产，便于改善工艺、提高质量。 举 例：果胶酶；脂肪酶；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基酸肽酶 2.在医药工业上的应用 生产药物：各种抗生素、多种氨基酸、多种激素、多种免疫调节剂 方法： 药物 药物 疫苗 病原体的抗原基因 直接改造微生物一 动植物的基因 发酵 工程 微生物 微生物 转 入 转入 微生物肥料的原理 ●利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性 物质等来增进土壤肥力、改良土壤结构、促进植株 生长、增强植物抗病性和抗逆性。 ●利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长， 从而减少病害的的发生。 常见微生物肥料： 根瘤菌肥、固氮菌肥 3.在农牧业上的应用 ①生产微生物肥料 3.在农牧业上的应用 ②生产微生物农药 常见微生物农药： 白僵菌(真菌):防治玉米螟、松毛虫 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 苏云金杆菌(Bt毒蛋白):防治80多种农林害虫 放线菌(井冈霉素):防治水稻枯纹病 3.在农牧业上的应用 ③生产微生物饲料 微生物饲料：以微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白、生物活性小 肽类氨基酸、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵饲料。 常见微生物饲料： 单细胞蛋白： 以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量 微生物菌体。单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。 青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。 解决资源短缺和环境污染 纤维→酒精、乙烯 极端微生物的利用 嗜热菌、嗜盐菌→洗涤剂(耐高温耐盐) 嗜低温菌→热敏性产品(不耐高温) 4.在其他方面的应用 $$