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

1.3发酵工程及其应用 1 青霉素 是世界上第一个应用于临床的抗生素。 思考:你知道青霉素的历史吗？ 从社会中来—教材P22 2 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。 早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到 如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂 在工业上青霉素究竟是怎样生产的呢？ 从社会中来 3 对发酵原理的认识 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) 大规模生产 发酵产品 微生物的特定功能 现代化工程技术 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 发酵工程的基本环节 1.基本环节 选育菌种 扩大培养 接种 灭菌 配制培养基 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 发酵工程的基本环节 5 （1）目的：获得性状优良的菌种。 （2）菌种来源：自然界中筛选、诱变育种或基因工程育种。 （3）菌种选育的重要性（意义）： 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，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。（教材P22旁栏思考） （4）实例： 筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期。 选育菌种 发酵工程的基本环节 工业发酵罐体积 几十 ~ 几百m3 几 ~ 几十m3 接入的菌种总体积 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。 （1）目的: 获得更多的菌种 （2）原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大（数目多）。 （3）扩大培养的培养基：一般为液体培养基。 发酵工程的基本环节 扩大培养 （1）配制要求 ①在菌种确定之后，（结合菌种代谢特点）选择原料制备培养基； ②在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定（即不断优化培养基）； （2）灭菌原因 发酵工程种所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低。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。 （3）灭菌目的： 避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量 *培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌 发酵工程的基本环节 培养基的配制、灭菌 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 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 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。 发酵工程的基本环节 接种 （1）地位： 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。 （2）要求： ①发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程； ②要及时添加必需的营养物质，要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。 发酵工程的基本环节 发酵罐内发酵 （3）严格控制发酵条件的原因： ①环境条件不仅会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，有利于使发酵全过程处于最佳状态。 （4）不同发酵条件的影响（实例——谷氨酸发酵） ①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸； ②在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺； 发酵工程的基本环节 发酵罐内发酵 谷氨酸棒状杆菌 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器及控制装置 冷却水进入口 阀门 空气入口 放料管 生物传感器装置 搅拌叶轮 发酵液 冷却夹层 冷却水排出口 pH计 排气管 电动机 抽取样本进行检测 调节罐温 调节罐压 控制溶解氧含量 不断搅拌的目的： ①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率； ②加快O2的溶解以及散热。 (5)发酵条件及相应的调节和控制方法： 发酵工程的基本环节 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。 pH：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。 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。 12 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 均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制，还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 现代发酵工程使用的发酵罐的优点： 发酵工程的基本环节 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。 分离、提纯产物 发酵工程的基本环节 获得产品 任务：发酵工程基本环节分析及应用 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的因素：能在低成本的 上生长，且大量高效地合成产物；发酵条件如 、 、 等易控制；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。 2.需要控制发酵条件的原因：环境条件不仅会影响 ，而且会影响 。 培养基 温度 pH 溶解氧 微生物的生长繁殖 微生物代谢物的形成 探究—学习笔记P16 3.在产物分离和提纯方面，与传统发酵技术相比，发酵工程的改进之处：传统发酵技术获得的产物一般不是单一组分，而是 ，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理。在发酵工程中，如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用 等方法将菌体从发酵液中分离出来。如果产品是代谢物，可采用______________ 等方法进行提取。 成分复杂的混合物 过滤、沉淀 蒸馏、萃取、 离子交换 探究—学习笔记P16 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；因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。 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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。 探究—学习笔记P16 二 发酵工程的特点： 发酵工程这么好，在我们生活中有哪些应用呢？ 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 18 通过这张表格你能总结发酵工程在哪些领域应用吗？ 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 在食品工业上的应用 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 酱油的生产 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 各种酒类的生产 （1）生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。 发酵工程的应用 在食品工业上的应用 20 啤酒的工业化生产流程 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 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 发酵工程的应用 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 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 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被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 发酵工程的应用 5.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。 探究—学习笔记P16 啤酒的工业化生产流程 其中酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，才能形成澄清、成熟的啤酒。 核心归纳—学习笔记P16 发酵工程的应用 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。 26 （2）生产各种各样的食品添加剂 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 食品添加剂的作用： 实例1——柠檬酸 在食品工业上的应用 发酵工程的应用 淀粉 淀粉酶 葡萄糖 黑曲霉 柠檬酸合成酶 柠檬酸 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； 食用柠檬酸可以增强食欲、增强人体正常代谢,对消化不良有改善效果。柠檬酸是属于食品添加剂，尤其是在饮料、果酱中最为常见,使用后不仅能够让口感变加好,同时还具有保鲜的作用。 27 （2）生产各种各样的食品添加剂 在食品工业上的应用 发酵工程的应用 实例2——味精 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。 谷氨酸棒状杆菌 发酵 谷氨酸 味精 处理 氧气 味精主要成分是谷氨酸钠，谷氨酸钠水解为谷氨酸，而谷氨酸有鲜味，这就是味精之所以能提鲜的原因。 （3）生产酶制剂 在食品工业上的应用 发酵工程的应用 ①常见酶制剂 α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 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、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等。 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。 （3）生产酶制剂 在食品工业上的应用 发酵工程的应用 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。 运用基因工程可以将动植物的基因转移到微生物中，获得具有特殊生产能力的微生物，大量生产人们所需要的产品，如人胰岛素、干扰素等。 在医药工业上的应用 发酵工程的应用 31 二 ②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。 生长激素释放抑制激素 抑制 生长激素的不适宜分泌 治疗 肢端肥大症 50万个羊脑 提取 生长激素释放抑制激素 5mg 7.5 L培养液 提取 生长激素释放抑制激素 5mg 在医药工业上的应用 发酵工程的应用 （可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物） 32 二 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。 乙型肝炎病毒的抗原基因 转入 酵母菌 生产 乙型肝炎病毒的抗原 疫苗 在医药工业上的应用 发酵工程的应用 33 二 1.生产微生物肥料 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。 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。 发酵工程的应用 在农牧业上的应用 34 ①微生物农药的作用 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 ②实例 ③防治类型 属于生物防治 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 （2）生产微生物农药 发酵工程的应用 在农牧业上的应用 二 1.生产微生物肥料 3.生产微生物饲料 项目 微生物农药防治 化学农药防治 防治机理 优点 缺点 利用微生物或代谢物进行防治 成本低、无污染，可以维持生态平衡 防治速度慢 利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治 见效快，操作简单 成本高，污染环境，不利于维持生态平衡 （2）生产微生物农药 发酵工程的应用 在农牧业上的应用 微生物农药防治和化学农药防治的比较 36 二 微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%〜80%，而且细菌生长繁殖速度很快。 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。 发酵工程的应用 在农牧业上的应用 （3 ）生产微生物饲料 其原理是利用青贮原料上存在的乳酸菌等微生物，通过厌氧呼吸将青贮原料中的碳水化合物转化成有机酸，使pH值降到3.8～4.2，抑制有害菌的生长，从而实现长期保存饲料及其营养物质的目的。 37 其原理是利用青贮原料上存在的乳酸菌等微生物，通过厌氧呼吸将青贮原料中的碳水化合物转化成有机酸，使pH值降到3.8～4.2，抑制有害菌的生长，从而实现长期保存饲料及其营养物质的目的。 发酵工程的应用 二 (1)解决资源短缺与环境污染问题 随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。 (2)将极端微生物应用于生产实践 ①极端微生物：自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活 ②举例： 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。 发酵工程的应用 在其他方面的应用 39 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。 粮食 环境 能源 健康 我国是名副其实的发酵大国。 发酵工程的应用 40 (1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯(　　) 提示　发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。 (2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺(　　) (3)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率(　　) 提示　发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。 × × √ 判断正误—学习笔记P16 41 (4)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理(　　) 提示　发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，且废弃物对环境污染小，容易处理。 (5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌(　　) 提示　生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉，而不是乳酸菌。 × × 判断正误—学习笔记P16 42 1.(2023·山东，20改编)果酒的家庭制作与啤酒的工业化生产相比，共同点有 A.都利用了酵母菌无氧呼吸产生酒精的原理 B.都需要在无氧环境供发酵菌种繁殖 C.发酵前都需要对原料进行灭菌 D.发酵结束后都必须进行消毒以延长保存期 √ 落实—学习笔记P17 2.下列有关发酵工程的叙述，正确的是 A.单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质 B.可通过诱变育种、基因工程等方法选育出性状优良的菌种进行扩大培养 C.发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵 D.通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧、pH和酶的控制等 √ 落实—学习笔记P17 网络构建 1.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) 可以用基因工程的方法，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。 (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？ 可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 练习与应用—教材P28 46 2.通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。 存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。 练习与应用—教材P28 47 1.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、产品的分离和提纯等方面，其中发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。 2.发酵过程监控和发酵条件控制直接会影响产品的质量和产量。一方面要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；另一方面要及时添加必需的营养组分；同时要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 3.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。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。 要语必背 4.发酵产品的分离、提纯要根据产品类型选择不同方法，若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。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。 5.微生物肥料利用了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，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。 6.与传统的化学农药不同，微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。 要语必背 1.发酵工程具有_________________________________________________ ____________________________________的特点。 2.单细胞蛋白是______________________________________________________ _____________________________________。 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和容易处理 长句表达 以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废料等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体 3.啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如图所示。 (1)其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。_____________________ _______________________都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在___________的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。 酵母菌的繁殖、大部分 糖的分解和代谢物的生成 低温、密闭 (2)焙烤阶段的目的是_________________________________；糖化阶段的目的是_______________________；蒸煮、冷却、加啤酒花的目的是_________ _______________________________________。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 使淀粉分解，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 长句表达 4.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题，请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) 可以用基因工程的方法，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。 (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青霉素，或者只生产头孢霉素呢？ 可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 长句表达 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.31 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content 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