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

果胶酶 女兒红 八年冬服费 女儿红前酒有 第1章发酵工程 第3节发酵工程及其应用 海天 圈 海天酱油 生抽酱油 从社会中来 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,在工业上青霉素究竟是怎样生产的呢? 一根金条 一 元 天价 白菜价 青霉素 是世界上第一个应用于 临床的抗生素。 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 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。 微生物纯培养技术的 建立 密闭式发酵罐的设计 成功 人们对发酵原理的认识 发酵工程形成 CONTENTS 1/ 发酵工程的基本环节 2/ 发酵工程的应用 迁射用青雷索 目录 女 兒 红 八 年 服 黄 道 一 .发酵工程的基本环节 结合教材P₂2图1-9,熟悉发酵工程的基本环节及具体内容， 尝试完成P₂3【 思考 ·讨论】 问题： 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 ? 选育菌种 扩大培养 配制培养基 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。 如青霉素、谷氨酸等，则可从 自然界中先分离出相应菌种， 再用物理或化学的方法诱变育 种，从突变个体中筛选出符合 生产要求的优良菌种。 用基因工程、细胞工程的方 法对菌种的遗传特性进行定 向改造，以构建工程细胞或 工程菌，从而达到生产相应 产品目的。 生产微生物不 能合成的产品 生产微生物直 接合成的产物 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? 思考讨论1: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在低成本的培养基上能迅速生长繁殖 ②生产所需代谢物的产量高 ③发酵条件容易控制 ④菌种不易变异、退化等 一 .发酵工程的基本环节 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。 扩大培养 柠檬酸 啤酒 味精 青霉素 黑曲霉 啤酒酵母 谷氨酸棒状杆菌 黄青霉 配制培养基 发酵罐内 发酵 分离提纯 产物 灭菌 接种 获得 产品 一 .发酵工程的基本环节 问题：扩大培养目的是什么?怎样对菌种进行扩大培养? (1)增加菌种数量， 缩短生产周期 (2)将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养 问题：扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什 么类型的培养基? 发酵工程一般使用液体培养基 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 分离提纯 产物 发酵罐内 发酵 获得 产品 接种 具 口7量 一 .发酵工程的基本环节 问题： 配制培养基需要考虑哪些因素 (1) 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。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。 (2)生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确 定(即不断优化培养基) 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 发酵罐内 发酵 分离提纯 产物 获得 产品 接种 一 .发酵工程的基本环节 问题：为什么要灭菌? ①发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。 ②灭菌的目 的： · 杂菌与菌种之间形成的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。 · 防止杂菌污染而影响产品的质量和品质。 ③ 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。 发酵罐内 分离提纯 获得 发酵 产物 产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 一 .发酵工程的基本环节 选育菌种 将扩大培养后的菌种投放到 发酵罐中 扩大培养 配制培养基 液体菌接种 灭菌 接种 发酵 产物 产品 发酵罐内 分离提纯 获得 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 监控要点一 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 。 实例 ：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。 监控要点三 严格控制温度、pH、 溶解氧、通气量与 转速等发酵条件， 已获得所需的发酵 产物 。 监控要点二 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。 … 一 .发酵工程的基本环节 发酵工程的中心环节 发酵罐内 发酵 分离提纯 产物 获得 产 品 接种 一 .发酵工程的基本环节 思考讨论2: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 °①反复试验确定培养基的配方； ②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌； ③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等； ④及时添加必需的营养组分； ⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控 制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制。 选育菌种 扩大培养 配制培养基 发酵罐内 发酵 分离提纯 产物 灭菌 接种 获得 产品 调节罐压 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 。 控制溶解氧含量 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 放料管 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 一 .发酵工程的基本环节 调节罐温 阀门 抽取样本 进行检测 发酵罐示意图 分离、提纯产物的方法措施： 发酵产物类型 获得产品的方法 微生物细胞 过滤、沉淀等方法 代谢物 适当的提取、分离和纯化措施 一 .发酵工程的基本环节 选育菌种 配制培养基 灭菌 接种 分离提纯 产物 发酵罐内 发酵 获得 产品 扩大培养 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、吸附或离子交换等方法；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。 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、过滤等方法来分离提纯 产 物 。 思考讨论3: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? 一 .发酵工程的基本环节 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。 思考讨论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? 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。 一 .发酵工程的基本环节 不能 课堂练习(作业案P₃0) 1. 发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨 酸或谷氨酸的生产实际，下列说法不正确的是( D A.① 为诱变育种，②为萃取(或蒸馏或离子交换等) B. 赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续 培养的发酵方式 C. 由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通 氧量 D. 人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件 ( 一 )优点： 产物专一 原料来源丰富 且价格低廉 ( 二 ) 运 用 ： 食品 医药 二.发酵工程的应用 生产条件温和 废弃物对环境污 染小且容易处理 农牧 其他 二 .发酵工程的应用 优利酶 畜禽通用高档复合酶制剂 畜禽通用酶制剂 提高饲料营养 酶制剂 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶 和氨基肽酶等 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 储存期和提高产品产量等方面 传统的发酵产品 食品添加剂 利用黑曲霉生产酱油 利用酵母菌生产酒类 明显提高产品的产量和质量 利用黑曲霉生产柠檬酸 利用谷氨酸棒状杆菌生产味精 增加食品的营养，改善食品 的口味、色泽和品质，延长 食品的保存期 1. 在食品工业上的应用 … 二 .发酵工程的应用 1. 在食品工业上的应用 ①生产传统的发酵产品 利用霉菌发酵生产酱油、 利用酿酒酵母发酵生产各种酒类： 大豆中蛋白质 黑曲霉 小分子肽和氨基酸 淋洗、调制 酱油 谷物、水果 酿酒酵母 酒精+CO₂ 酒类 二 .发酵工程的应用 思考 ·讨论——啤酒的工业化生产流程 你喝过啤酒吗? 你喜欢喝啤酒吗? 你知道啤酒是怎么制作的吗? 主发酵 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。 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。 大 麦 种 子 发 芽 释放淀粉酶 大 麦 1 发芽 将麦芽磨成粉 60至70度 的温水 窒 烧 / 烘 焙 2 焙烤 杀死啤酒中的大多数微 思考 ·讨论：啤酒的工业化生产流程 发酵桶 酵 母 菌 将 糖 转 化 为 酒 精 和CO2 6 发酵 研磨机 3 碾磨 过 滤 装 置 8 终止 化摄拌机 4 糖 化 膜间巴土杀圆 7 消毒 意 沸 壶 5 蒸煮 杀 死 种 子 胚 但 不 使 淀 粉 酶 失 活 辊轴 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。 问题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? 问题1:与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手 段使啤酒的产量和质量明显提高? 思考 ·讨论：啤酒的工业化生产流程 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。 问题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。 问题1:与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手 段使啤酒的产量和质量明显提高? 思考 ·讨论：啤酒的工业化生产流程 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 · 实例1——柠檬酸 黑曲霉 淀粉 淀粉酶 葡萄糖柠檬酸合成酶 柠檬酸 · 实例2——味精 谷氨酸棒状杆菌 发酵 谷氨酸- 处理 味精 氧气 砂 糖 、浓缩苹 木糖醇、柠橡酸、 胶 、D- 异抗坏血 素)、食品用香精 ) Mc 四 味 精 (无盐) 谷氨酸钠含量> 河南罐花自品有眼公司 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 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 微 生 物 菌 剂 原 菌 粉 苏云金杆菌 80多种农林虫害 有效活菌数：1×101cfu/g 夏紧票高警需奖酸H零幢不船标委望 · 不产生抗性 · 对人畜安全 · 防治效果好 品 保质期：12个月 广州市微元生物科技有限公司 H m 白僵菌 玉米螟、松毛虫 一种放线菌产生的抗生素 —井冈霉素 水稻纹枯病 ①生产微生物肥料 微生物农药是利用 微生物或其代谢物来 ②生产微生物农药 防治病虫害的。 微生物农药作为生物防治 的重要手段 二 .发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 - 球孢白僵菌 项目 微生物农药防治 化学农药防治 防治 机理 利用微生物或代谢 物进行防治 利用化学药剂(如杀虫剂、 杀鼠剂)等进行防治 优点 成本低、无污染， 可以维持生态平衡 见效快，操作简单 缺点 防治速度慢 成本高，污染环境，不利于 维持生态平衡 微生物农药防治和化学农药防治的比较 二 .发酵工程的应用 拓展 获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。 应用——食品添加剂、微生物饲料 实例2——乳酸菌 在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。 3.在农牧业上的应用 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 实例1——单细胞蛋白 许多国家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 二 .发酵工程的应用 微生物含有丰富的蛋白质 单细胞蛋白 二 .发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 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 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 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。 课堂练习(作业案P₃1) 2. 下列有关发酵工程的叙述，正确的是(B) 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 练习与应用 一 、概念检测 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。(× ) 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。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。 二、拓展应用 (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，在青霉素与头抱霉素的合成过程中，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。 练习与应用 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一风险。 这一风险是存在的。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。 $$