1.3 发酵工程及其应用-【备课一点通】2024-2025学年高二生物下学期同步特色课件（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 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? 亚历山大·弗莱明 从社会中来 那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 发酵工程 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。 ①微生物： 自然界的微生物 诱变育种的微生物 基因重组的微生物 （常规菌） （工程菌） ②产 品： 包括利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造的酸奶，及利用工程菌生产的人胰岛素。 ③实 质： 利用微生物进行产品生产。 某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？ 我国幅员辽阔,地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，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決定了生产发酵产品的成败。 5 01 发酵工程的基本环节 一、发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①方法： 自然界直接筛选性状优良的常规菌种； 通过诱变育种或基因工程育种获得。 ②实例： 选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸； 使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒，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 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 扩大培养的原因： 工业发酵罐的体积一般为几十立方米到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。 怎样扩大培养？ 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 一、发酵工程的基本环节 扩大培养的培养基类型？ 液体培养基 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①配置培养基要遵循的原则： 即营养物质满足微生物的需要，营养物质的浓度及配比恰当，物理、化学条件适宜等。 ②配置的培养基应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求。 ③配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 一、发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降； 杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。 实例： 在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。 一、发酵工程的基本环节 目的： 避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量 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。 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 一、发酵工程的基本环节 ②② 将 的菌种投放到 中。 发酵罐 扩大培养后 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 一、发酵工程的基本环节 发酵工程的中心环节 ②② ①了解发酵进程： 要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程； 及时添加必需的营养组分，严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。 ②控制发酵条件： 原 因 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。 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 一、发酵工程的基本环节 发酵工程的中心环节 ②② 例如：谷氨酸的发酵生产在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 谷氨酸棒状杆菌 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 一、发酵工程的基本环节 ②② 发酵产物类型 获得产品的方法 微生物细胞本身 代谢物 过滤、沉淀等方法 适当的提取、分离和纯化措施 分离、提纯产物的方法措施： 电动机 发酵液 冷却夹层 生物传感器 pH计 冷却水排出口 培养物或营养物质的加入口 观察孔 温度传感器和控制装置 阀门 放料管 搅拌叶轮 空气入口 排气管 取样管 冷却水进入口 抽取样本进行检测 调节罐压 控制冷水流速调节罐温 控制溶解氧含量 使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热 一、发酵工程的基本环节 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 16 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。 17 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，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。 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，都需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。 18 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。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。 19 02 发酵工程的应用 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 (1)酱油的生产 (2)各种酒类的生产 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 （1）在食品工业上的应用 ①生产传统的发酵产品 二、发酵工程的应用 思考∙讨论 啤酒的工业化生产流程 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 冷却 大麦种子发芽，释放淀粉酶。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉分解，形成糖浆。 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。 酵母菌将糖转化为酒精和CO2 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。 消毒 终止 过滤 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 思考∙讨论 啤酒的工业化生产流程 使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和反腐剂 形成啤酒优良的泡沫 有利于麦芽汁的澄清 平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲 啤酒花 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 1.与传统的手工发酵相比，在啤酒的工厂化生产中，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。 思考∙讨论 啤酒的工业化生产流程 ②生产各种各样的食品添加剂 增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期 淀粉 淀粉酶 黑曲霉 葡萄糖 柠檬酸合成酶 柠檬酸 谷氨酸棒状杆菌 发酵 氧气 谷氨酸 处理 味精 （1）在食品工业上的应用 二、发酵工程的应用 作用： 实例： 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 （1）在食品工业上的应用 ③生产酶制剂 概念： 从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。 来源： 少数由动植物生产 大多数通过发酵工程生产 应用： 用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产量等方面。 产品： α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。 二、发酵工程的应用 请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂。 探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶 探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶 二、发酵工程的应用 （2）在医药工业上的应用 （1）生产抗生素 例如应用产黄青霉生产青霉素，用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。 （2）生产多种氨基酸 许多微生物都能产生氨基酸，发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。 二、发酵工程的应用 ③生产激素： 利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。 ④生产免疫调节剂： 例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。 （2）在医药工业上的应用 二、发酵工程的应用 【发酵工程生产药物的方法】 ①利用基因工程将动植物基因转移至微生物细胞中，通过发酵技术大量生产所需产品。 ②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。 ③利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转移至微生物中，通过发酵技术大量获得疫苗。 （2）在医药工业上的应用 二、发酵工程的应用 （3）在农牧业上的应用 ①生产微生物肥料 【原理】 1）利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。 2）利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 二、发酵工程的应用 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 苏云金杆菌 80多种农林害虫 白僵菌 玉米螟、松毛虫 一种放线菌产生的抗生素 （井冈霉素） 水稻枯纹病 利用微生物或其代谢物来繁殖病虫害。 【原理】 （3）在农牧业上的应用 ②生产微生物农药 二、发酵工程的应用 （3）在农牧业上的应用 ③生产微生物饲料 微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。 单细胞蛋白： 以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体。 用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂； 单细胞蛋白制成微生物饲料，提高家禽增重快，产奶量或产蛋量高。 青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。 二、发酵工程的应用 实例： 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，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 （4）在其他方面的应用 二、发酵工程的应用   具体应用 成果 食品 传统的发酵产品 酱油（霉菌）、酒类（酵母） 医药 农牧业 食品添加剂 酶制剂 工程菌 改造菌种 柠檬酸（黑曲霉）、谷氨酸（谷氨酸棒状杆菌） 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等 生长激素释放抑制激素 青霉素 疫苗 乙型肝炎疫苗 根瘤菌肥、固氮菌肥（根瘤菌和固氮菌） 以菌治虫——生物防治：无污染、维持生态平衡 淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得微生物菌体（单细胞蛋白） 微生物农药 微生物肥料 微生物饲料 二、发酵工程的应用 课堂小结 练一练 P28【练习与应用】 Lavf55.33.100 Lavf59.23.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$