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选择性必修3

第2节发酵工程及其应用 1.什么是发酵工程? 2.发酵工程的一般流程是什么? 3.发酵工程在生产上有哪些重要的价值? 从社会中来 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? 一、发酵工程的基本环节 1.发酵工程的概念： 利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生 产对人类有用的产品。 2.发酵工程的特点： 生产条件温和；原料来源丰富且价格低廉；产物专一；废 弃物对环境的污染小、容易处理等 从自然界分离的菌种 诱变育种 基因工程育种 生产用菌种 原料 扩大培养 培养基配制 发酵罐 发酵条件控制 分离 提纯 微生物菌体代谢产物 产品 电动机 排气管 pH 计 培养物或营养 物质的加入口 观察孔 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 冷却水进入口 空气入口 阀门 放料管 3.发酵工程的基本环节： 发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、 灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面 温度传感器 和控制装置 取样管 (1)选育菌种和扩大培养：性状优良的菌种可以从自然界 中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。 (2)配制培养基：在菌种确定之后，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。 (3)灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种，为避 免杂菌污染，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 (4)接种和发酵：发酵是发酵工程的中心环节。 ①发酵过程中需要随时取样，检测培养液中的微生物数量、 产物浓度等，以了解发酵进程； ②要及时添加必需的培养基成分，以满足菌种的营养需求， 要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。 (5)分离、提纯产物： ①如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，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 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? (需要考虑的因素包括：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? (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? (传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复 杂的混合物，基本没有经过产物分离和提纯等步骤。发酵 工程的发酵产物根据产物的种类采取不同的分离、提纯方 法，若发酵产物是微生物细胞本身，则采用过滤、沉淀等 方法将菌体分离、提纯；若发酵产物是代谢物，则根据代 谢物性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法分离、提纯) 4. 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，发酵生产时，排出的气体可能含有有毒气体，废 弃培养液可能含有有毒物质，这些都可能会污染环境，对 人体健康造成危害，此外，废弃培养液中的微生物也可能 会污染水体、感染人体。因此，排出的气体和废弃培养液 等需经检测、处理后才能排到外界环境中) 原来如此 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 各种酒类的生产 酿酒酵母 谷物或水果 各种酒类 酱油的生产 黑曲霉 (蛋白酶) 第一：生产传统发酵产品 小分子 肽和氨 基酸 淋洗、调制 ①发芽 ②焙烤 ③碾磨 ④糖化 大麦种子发 加热杀死种子 将干燥的 淀粉水 芽释放淀粉 胚但不使淀粉 麦芽碾磨 解形成 酶 酶失活 成麦芽粉 糖浆 思考 ·讨论 啤酒的工业化生产流程 糖浆啤酒花 冷却 过滤 装瓶装罐 ⑤蒸煮 产生风味组 分终止酶的 进一步作用， 并对糖浆灭 菌 ⑦消毒 杀死啤酒中 的大多数微 生物，延长 它的保存期 ⑧终止 过滤、调节、 分装啤酒进 行出售 ⑥发酵 酵母菌将糖 转化为酒精 和 CO₂ 储存罐 大麦、水 糖化用水 酒花 发芽→焙 烤 碾 磨 →糖 化 糖浆蒸煮 装箱←贴标除菌罐装一啤酒过滤(发酵 冷却 酵母 充氧 1.与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，哪些工程 手段使啤酒的产量和质量明显提高? (菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品 的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质) 2现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通 啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消 毒处理等有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更 健康，你怎么看待这个问题?“精酿”啤酒是小规模酿造产 品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求， 我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作? (应该辩证地看待这一产品。 一方面：这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对 独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。 另一方面：这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质 不稳定，价格昂贵的问题) 添加剂类型 举例 酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 增味剂 5`-肌酐酸二钠、谷氨酸钠 着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 防腐剂 乳酸链球菌、溶菌酶 食品添加剂的作用： ·增加食品的营养 ·延长食品的保存期 ·改善食品的口味、色泽和品质 第二：生产各种各样的食品添加剂 添加了柠檬酸的饮料 ②酶制剂的作用 ·食品直接生产 ·改进生产工艺 ·简化生产过程 ·提高产品产量 ·延长食品储存期 ·改善产品的品质和口味 ①酶制剂 · 果胶酶 ·脂肪酶 · α-淀粉酶 · β-淀粉酶 ·氨基酸肽酶 ■ ■ 第三：生产酶制剂 重组人干扰素α2b注射液 国药准字S20070003 500 万国际单位 0 .5毫升I支 2.在医药工业上的应用 (1)将动植物目的基因转移到微生物中，获得具有某种药 物生产能力的微生物，通过发酵技术获得所需药物 (2)将菌种直接改造，通过发酵技术获得药物 生长激素释放抑制激素 (3)将病原体的抗体基因转入微生物中，或得表达产物即 可作为疫苗使用 7 鹰博生控 微生物菌剂 改善土壤 促进成长 微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生 有有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力， 改料土壤结构，促进植株生长 3.在农牧业上的应用 (1)生产微生物肥料 (2)生产微生物农药 a.用苏云金杆菌防治农林害虫 b.用白僵菌防治玉米螟、松毛虫等 松毛虫 玉米螟 a.单细胞蛋白作为食品添加剂 b.单细胞蛋白制成生物饲料 单细胞蛋白不仅含有丰 富的蛋白质，还有糖类、 脂质和维生素等物质， 以后我老牛是不是吃点 微生物菌体就可以健康 的活下去呢? (3)生产微生物饲料 4.在其他方面的应用 a.利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成 功 b.嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于 提高热敏性产品的产量 课堂练习 1.下列关于发酵工程基本环节的叙述，正确的是( A) A.需要根据确定的菌种选择合适的原料配制培养基 B.需要对培养基和发酵设备进行消毒，以防止杂菌污染， 导致产量下降 C.选育出的菌种可以直接接种，也可以先进行扩大培养后 再进行接种 D.计算机控制系统可以通过正反馈机制，使发酵罐内的发 酵全过程处于最佳状态 图 1 发 酵 雄 结 构 示 意 图 图2谷氨酸产生机理图 A.菌体是异养厌氧型微生物 B.培养基属于化学成分已知的液体培养基 C.谷氨酸的形成与搅拌速度无关 D.提高产物产量的关键是改变菌体膜的通透性 2.下面图1为谷氨酸发酵装置示意图，图2为谷氨酸产生机理 图。据图分析，下列对谷氨酸发酵的叙述，正确的是(D) 葡萄糖 A 酶 中间产物 B 酶 α -酮戊二酸 NH₄ 谷氨酸脱氢酶 谷氨酸 抑制 A.在整个发酵过程中，要始终保持严格的无菌、厌氧环境 B.用赤霉素溶液浸泡大麦种子，目的是促进α-淀粉酶合成 C.在接种酵母菌前进行冷却处理，是为了避免杀死酵母菌种 D.为了长期保存酵母菌种，常用甘油管藏法将菌种置于-20℃ 冷冻箱中 3.啤酒生产的简要流程如图所示，制麦时用赤霉素溶液浸泡大 麦种子，糖化主要将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子。下 列说法错误的是(A) 酵母菌种 活化 接种→发酵→过滤→包装 发酵 大麦→发芽—破碎一糖化→煮沸冷却 制麦 糖化 4.下列关于发酵工程的应用的说法，正确的是( C ) A.食品添加剂由于可以增加食品营养，改善食品的色、香、 味，还可延长保存期，使用时应尽量多添加 B.加酶洗衣粉使用时用沸水洗涤效果最好 C.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，同时提高动物免疫力 D.与使用化学农药相比，使用微生物农药具有成本高、见效 快、无污染的特点 5.青霉素是青霉菌分泌的一种抗生素。随着高产菌种的 选育，发酵技术的发展，青霉素已经步入产业化生产的 道路。下列叙述错误的是( D ) A.经过不断诱变、筛选获得生产用高产青霉菌株 B.发酵工程所用培养基和设备必须严格控制无菌 C.发酵过程要随时检测培养液微生物数量、产物浓度、 溶氧等 D.用过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥即可获得 青霉素 $$