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

青霉素 是世界上第一个应用于临床的抗生素。 你知道青霉素的历史吗？ 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 一根金条 如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂 一元 ？ FASHION BRAND PROMOTION 1.3 发酵工程及其应用 FASHION BRAND PROMOTION 一、发酵工程的基本环节（P22） 1.发酵工程 （1）概念： 发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产产品。 （2）基本环节： 生产柠檬酸 生产啤酒 生产味精 黑曲霉 啤酒酵母 谷氨酸 棒状杆菌 选育菌种 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。 选育菌种 扩大培养 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。 1间教室如果长为8米，宽为6米，高有4米，概有192立方米。 选育菌种 配制培养基 扩大培养 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。 发酵培养基要求菌种能大量生产目的产物，所用原料廉价且易于获得。 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 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。 发酵工程所用的菌种大多是单一菌种，整个发酵过程中不能混入杂菌，这是为什么？那如何防止杂菌的污染？ 提示：在发酵过程中如果混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响；要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。 现学现用 P17 目录 知识点1　发酵工程的基本环节 自主梳理 合作探究 课堂小结 随堂检测 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中， 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。 还要及时添加必需的营养成分。 要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。 现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、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。 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。 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 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。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。 Q1：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。 Q2：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。 Q3：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：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。 发酵工程：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，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 Q4：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。 一、发酵工程的基本环节（P22） 1.发酵工程 （3）特点： 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 产物专一 发酵工程这么好在我们生活中有哪些应用呢？ 一、发酵工程的应用（P24） 1.在食品工业上的应用 生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等 大豆中蛋白 小分子肽和氨基酸 酱油 黑曲霉 淋洗、调制 各种谷物、水果 酿酒酵母 各种酒类 啤酒的工业化生产流程 啤酒的工业化生产流程 啤酒的工业化生产流程 我国是世界上啤酒的生产和消费大国。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下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。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，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。 1.3 传统发酵技术 探究·实践：啤酒的工业化生产流程（P24） 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 消毒 终止 后发酵 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。 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，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。 啤酒的工业化流程 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌 19 一、发酵工程的应用（P24） 1.在食品工业上的应用 生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。 生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等 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 生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶等。 一、发酵工程的应用（P24） 2.在医药工业上的应用 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 通过发酵技术大量生产所需要的产品 直接对菌种 进行改造 基因工程 将病原体的抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物作为疫苗 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 未来 一、发酵工程的应用（P24） 3.在农牧业上的应用 生产微生物农药 生产微生物肥料 生产微生物饲料 微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的 　 　 、 　 　 　 等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。 有机酸 生物活性物质 微生物农药是利用　　　或 　　　 来防治病虫害的。 微生物农药作为　　　　的重要手段 微生物 其代谢物 生物防治 微生物含有丰富的　　 。 蛋白质 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 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，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。 一、发酵工程的应用（P24） 4.其他方面 对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用 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 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。 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决 和　　 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 粮食、环境、健康 能源 课堂总结 （1）在食品工业上的应用 ①生产传统的发酵产品 ②生产各种各样的食品添加剂 ③生产酶制剂 （2）在医药工业上的应用 ①生产抗生素 ②生产多种氨基酸 ③生产激素： ④生产免疫调节剂： （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 ③生产微生物饲料 （4）在其他方面的应用 一、概念检测 1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。 （1）发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。 （ ） （2）发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。 （ ） （3）在发酵工程的发酵环节，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。（ ） （4）通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。 （ ） 练习与应用 ✘ ✔ ✘ ✔ 二、拓展应用 1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。 （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 $$