1.3 发酵工程及其应用-【爱上生物课】2024-2025学年高二生物备课通关优质课件（人教版2019选择性必修3）

第3节发酵工程及其应用 第一章发酵工程 从社会中来 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。 问题：那么，你知道在工业上青霉素究竟是怎样生产的呢？ 发酵工程 对发酵原理的认识 微生物纯培养技术的建立 密闭式发酵罐的成功设计 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 现代工程技术 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，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。 一、发酵工程的基本环节 选育高产菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 发酵工程的中心环节 1.基本环节 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 （1）目的： 获得__________________ 性状优良的菌种 （2）菌种来源： ①自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 （工程菌） （3）实例： 筛选产酸量高的 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； 黑曲霉 （常规菌） 发酵工程中所用的菌种大多是___________， 单一菌种 一、发酵工程的基本环节 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。 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 （1）目的： 获得_______________ 更多的菌种 （2）原因： 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。 （3）培养基类型： 液体培养基 发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米。 一、发酵工程的基本环节 ②在生产实践中，培养基的配方要经过___________才能确定。 反复试验 碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 原则： ①培养基应包括微生物生长所需的 要求。 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌。 （1）原因： （2）__________和___________都必须经过严格的灭菌； 发酵设备 培养基 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 将 的菌种投放到 中。 发酵罐 扩大培养后 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 发酵工程的中心环节 要及时添加必需的___________，要严格控制_______、_____和________等发酵条件； 发酵过程中，要随时检测培养液中_____________、__________等 微生物数量 产物浓度 营养物质 温度 pH 溶氧量 （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 （1）了解发酵进程： （2）严格控制发酵条件： 谷氨酸的发酵生产，在中性和弱碱性条件下会积累 ； 在酸性条件下则容易生成 和 ； 谷氨酸 谷氨酰胺 N-乙酰谷胺酰胺 一、发酵工程的基本环节 (4)发酵条件及相应的调节和控制方法： 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使微生物得到充足的O2 ②使微生物与培养基充分接触，混合均匀； ③有助于充分散热； ④有利于固体物质在发酵液中保持悬浮状态。 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 ②② 发酵产物类型 获得产品的方法 微生物细胞 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： 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 酱油 味精 啤酒 青霉素 根瘤菌 一、发酵工程的基本环节 发酵工程基本环节分析 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哪些因素？ 1.生产需要(微生物繁殖速度快、代谢产物的产量高等)； 2.菌种不易变异、退化等； 3.发酵条件易控制； 4.考虑气候条件、发酵装置等。 2.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？ 不能。可能污染环境。要二次清洁或灭菌处理。 及时训练 1.发酵工程的正确操作过程是 ①发酵　②培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　 ⑤菌种的选育　⑥接种　⑦扩大培养 A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④ C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③① √ 及时训练 2.下列对发酵工程内容的叙述，错误的是（ ） A．发酵工程的中心环节是在发酵罐内的发酵 B．发酵过程使用的菌种可以从自然界存在的微生物中直接筛选 C．发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标 D．通过对微生物细胞产物进行提取、分离和纯化等措施可获得单细胞蛋白 过滤、沉淀等方法 √ 小结 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 ①从自然界中筛选的常规菌种 ①配置原则：目的明确、营养协调、pH适宜 ①目的：防止杂菌污染 ①检测培养液中的微生物数量、产物浓度等 地位：中心环节 ②通过诱变育种或基因工程育种获得 ②营养构成：水、无机盐、碳源、氮源等 ②对象：培养基和发酵罐 ②及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物 ②代谢物：适当的提取、分离和纯化措施 ③严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件 ③注意：培养基使用前要经过反复试验才能用于大规模生产 条件：环境条件稳定、温和，利于菌种生长繁殖 目的：增加菌种数量 所用培养基：液体培养基或固体培基 ①菌体本身：过滤、沉淀 监控 途径 二、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.在食品工业上的应用 (1)生产传统发酵产品 酱油的生产 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 酒的生产 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 二、发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程（视频） 二、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 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。 后发酵 在低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。 问题1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ “通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖； “密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。 二、发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 问题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？ 使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐剂 稳定泡沫 有利于麦芽汁的澄清 平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲 问题3.蒸煮时啤酒花的作用是什么？ 二、发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程 讨论：1.与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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生产的，存在啤酒品质不稳定，价格昂贵的问题。 二、发酵工程的应用 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （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 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 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； 二、发酵工程的应用 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： 少数由动植物生产外， 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。 分类： 胞内酶和胞外酶 二、发酵工程的应用 2.在医药工业上的应用 基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 动植物的基因 转入 微生物 直接改造微生物 病原体的抗原基因 转入 微生物 发酵工程 药物 药物 疫苗 各种抗生素 多种氨基酸 多种激素 多种免疫调节剂 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 应用 用途 举例 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。 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；白僵菌防治玉米螟、松毛虫等。 用单细胞蛋白制成的微生物饲料含有丰富蛋白质。 微生物菌体 在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，提高动物的免疫力。 二、发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 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 解决资源短缺和环境污染问题。 如利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质； 电催化结合发酵的方式，用CO2合成葡萄糖和脂肪酸。 对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用。 如利用嗜热菌、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。 及时训练 1.发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是 A.黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种 B.啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品 C.用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题 D.用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗 病毒不能独立在液体培养基中生活 √ 及时训练 √ 2.下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述，错误的是 A.生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油 B.生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的 　营养 C.生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得 D.生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产 食品添加剂可以增加食品营养，改善食品口味、色泽和品质。 小结 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 练习与应用 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中,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。（ ） × √ √ × 一、概念检测 练习与应用 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。 二、拓展应用 练习与应用 二、拓展应用 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。 感谢观看 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.31 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$