1.3 发酵工程及应用-2024-2025学年高二生物同步备课课件（人教版2019选择性必修3）

1.3 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，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，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，一瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要一元左右。 发酵工程 什么是发酵工程？发酵工程的基本环节有哪些？发酵工程能生产哪些产品呢？ 从生活中来 那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 微生物纯培养 技术的建立 密闭式发酵罐 的成功设计 人们对发酵原理的认识 发酵工程 发酵工程的形成和概念 人们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。 配置培养基 选育菌种 扩大培养 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 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： ①筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸； ②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 1.选育菌种 ①自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 2.扩大培养 扩大培养 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: （2）原因： （3）扩大培养的培养基： 获得更多的菌种 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）。 一般为液体培养基 3.配制培养基 配置原则： 营养构成： 注意： 配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 目的明确、营养协调、PH适宜。 原因： 实例： 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。 水、无机盐、碳源、氮源 4.灭菌 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。 5.接种 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。 6.发酵罐内发酵 ——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。 （3）不同发酵条件的影响实例： 谷氨酸发酵 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 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。 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 电动机 排气管 pH计 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 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 阀门 放料管 抽取样本进行检测 调节罐温 （放气）调节罐压 使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热 控制溶解氧 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 发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量 (4)发酵条件及相应的调节和控制方法： ③需氧型： 厌氧型： ①温度： ②pH： 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。 6.发酵罐内发酵 ——发酵工程的中心环节 通过向冷却夹层通入冷水来调控； 在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱； 通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。 需封闭空气入口，建立厌氧环境等。 7.分离、提纯产物 （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。 8.获得产品 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　 C　 【现学现用】 2.发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。下列关于发酵工程的认识错误的是(　　) A.发酵工程具有条件温和、产物单一、污染小的特点 B.发酵工程的产品包括微生物的代谢产物和菌体本身 C.通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧和pH等 D.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 3.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究。下列叙述正确的是（ ） A.为加快发酵速度，应使发酵液保持35 ℃的恒温 B.给发酵罐适时排气，后期可缩短排气间隔时间 C.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定 　何时终止发酵 D.若定期对培养液中酵母菌进行计数，只能采用 　稀释涂布平板法 C ①产物专一 ②生产条件温和 ③原料来源丰富且价格低廉 ④废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的特点 ①在食品工业上的应用 ②在医药工业上的应用 ③在农牧业上的应用 ④在其他方面的应用 发酵工程的应用 二、发酵工程的应用 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 电动机 排气管 pH计 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 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 阀门 放料管 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 2025/3/5 啤酒的工业化生产流程 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 大麦 水 糖化罐 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。 淀粉水解 形成糖浆。 【思考 讨论】 蒸煮 5 6 发酵 7 消毒 8 终止 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。 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 糖浆 啤酒花 过滤 冷却 装瓶 装罐 储存罐 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。 1.在食品工业上的应用 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）生产各种各样的食品添加剂 ①食品添加剂的作用： 实例1：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。 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。 添加了柠檬酸的饮料 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 （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； α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 2.在医药工业上的应用 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。 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 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 ④未来还可能利用微生物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。 紫杉醇：具有高抗癌活性，现已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。 3.在农牧业上的应用 （1）生产微生物肥料 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，如：根瘤菌肥、固氮菌肥。 ②有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 苏云金杆菌的防虫原理是其菌株可产生内毒素（伴胞晶体）和外毒素两类毒素，使害虫停止取食， 害虫均因饥饿、血液败坏和神经中毒而死 白僵菌是一种子囊菌类的虫生真菌，可释放相应物质可引起昆虫中毒，打乱新陈代谢以致死亡。 当水稻纹枯病菌的菌丝接触到井冈霉素，能很快被菌体细胞吸收并在菌体内传导，干扰和抑制菌体细胞正常生长发育,从而起到防治作用。 （2）生产微生物农药 利用微生物或其代谢物来防治病虫害。 例如： ①利用苏云金杆菌防治80多种农林虫害 ②利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫 ③一种放线菌产生的抗生素-井冈霉素可防治水稻枯纹病。 微生物农药防治和化学农药防治的比较 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 （3）生产微生物饲料 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。 ①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。 Ⅰ.用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂； Ⅱ.单细胞蛋白制成微生物饲料，能使家禽增重快，产奶量或产蛋量高。 ②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。 4.在其他方面的应用 (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。 1.(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. 【现学现用】 2.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　 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。 Lavf59.23.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$