1.3 发酵工程及其应用（教学课件）-【上好课】2024-2025学年高二生物同步精品课堂（人教版2019选择性必修3）

选择性必修三《生物技术与工程》 第1章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 目录 课堂小结 探究新知 04 情境导入 03 02 01 课堂练习 一.发酵工程的基本环节 二.发酵工程的应用 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？ 对发酵原理的认识 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 微生物的特定功能 微生物纯培养技术建立 密闭式发酵罐设计成功 严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等) 现代化工程技术 发酵工程 发酵工程的形成和概念 发酵工程基本环节是什么？ 一、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 一、发酵工程的基本环节 2.扩大培养 ①根据菌种的代谢特点，选择不同的材料配制培养基。 3.配制培养基 一、发酵工程的基本环节 ②配置的培养基要经过 反复试验才能大规模应用。 优化培养基设计（成分、比例等） 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。 避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量 4.灭菌 将 的菌种投放到 中。 发酵罐 扩大培养后 5.接 种 一、发酵工程的基本环节 6.发酵罐内发酵 一、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 发酵罐示意图 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 谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其 与有氧呼吸有关的酶主要存在于细胞膜上； ② C:N的比值会影响谷氨酸发酵过程 C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。 一、发酵工程的基本环节 谷氨酸棒状杆菌 6.发酵罐内发酵 电动机D1 排气管C3 pH计B3 冷却水排出口C2 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮D2 生物传感器装置B4 空气入口A4 放料管A2 A3 阀门 A1培养物或营养物质的加入口 B1观察孔 B2取样管 B5温度传感器和控制装置 C1冷却水进入口 —发酵工程的中心环节 发酵罐内发酵 装置编号 主要用途 A1-A3 A4 B1-B5 C1、C2 C3 D1、D2 控制培养物以一定速度进入、 流出发酵罐，实现连续培养 控制溶解氧 通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测。 通过控制冷水流速调节罐温 调节罐压 电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。 一、发酵工程的基本环节 发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等： (4)发酵条件及相应的调节和控制方法： ③需氧型：通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。 厌氧型：需封闭空气入口，建立厌氧环境等。 ①温度：通过向冷却夹层通入冷水来调控； ②pH：在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱； PH变化主要原因： 培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。 温度升高原因:微生物分解有机物释放的能量；机械搅拌也会产生一部分热量。 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。 一、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 目的产物多，副产物少 ④设备方面 发酵条件容易控制 ③菌体方面 菌体生长繁殖力强，耐受力强，抗污染、菌种不易变异、退化 ①原料方面 来源广，低成本、转化率高 一、发酵工程的基本环节 14 怎么对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 01 反复试验确定培养基的配方。 对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。 用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。 控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。 及时添加必需营养成分。 02 03 04 思考2 一、发酵工程的基本环节 15 产物专一 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的特点 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 发酵工程的应用 二、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 二、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 2025/2/9 啤酒的工业化生产流程 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 啤酒的工业化生产流程 1.啤酒的发酵过程分为 和 两个阶段； 2.主发酵阶段完成 ； 3.后发酵的条件_________________________ _； 4.焙烤的目的： ； 5.蒸煮的目的： 。 一、过程概述： 主发酵 后发酵 酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成 低温、密闭的环境下储存一段时间 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌 二、发酵工程的应用 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 二、发酵工程的应用 ①使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和反腐剂 ②形成啤酒优良的泡沫 ③有利于麦芽汁的澄清 ④平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲 二、讨论： 1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ 2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？ “通气”：酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖；“密封”：酵母菌进行酒精发酵产生酒精。 酒精在醋酸菌的作用下产生醋酸。 增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期 2.生产食品添加剂 食品添加剂的作用： 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； 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'-肌苷酸二钠、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 乳酸链球菌素、溶菌酶 （一）在食品工业上的应用 二、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 二、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 二、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。 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、 健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 1.解决资源短缺和环境污染问题 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 食品工业 医药工业 生产传统发酵食品 农牧业 其他方面 生产食品添加剂 发酵工程应用 生产酶制剂 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，获得具有某种药物生产能力的微生物 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 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 解决资源短缺与环境污染问题 将极端微生物应用于生产实践 课堂小结 1.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是 (　　) A．菌种选育、扩大培养及配制培养基和灭菌是发酵工程的中心环节 B．只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行 C．在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径 D．在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，不需添加营养组分 C　 课堂练习 C　 发酵是发酵工程的中心环节 应随时检测培养液中的微生物数目、产物浓度等。 还要及时添加必需的营养组分，以满足菌种的营养需要 2.(多选)啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装。下列说法正确的是(　　 　) A．用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α－淀粉酶 B．焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌 C．糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵 D．通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期 ACD　 ACD　 去除大麦种子中的水分，可以杀死大麦种子胚，但没有起到灭菌作用. 课堂练习 3.发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用，在发酵过程中，发酵条件的控制至关重要。下列关于发酵条件的控制的叙述，不正确的是(　　) A．环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成，因此发酵过程要严格控制发酵条件 B．发酵过程中，微生物代谢产热和机械搅拌产热会使发酵温度升高，因此要及时调节发酵罐温度 C．培养基中营养物质的利用和代谢物的积累，可能会导致发酵液pH发生改变，如工业酿酒会导致pH上升 D．现代工业发酵对发酵条件的监测和控制是通过计算机系统实现的，可以使发酵过程处于最佳状态 C　 课堂练习 C　 果酒制作过程中不仅会产生酒精，还会产生大量的二氧化碳，发酵液的pH会下降。 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$